Kostenloser Nernst-Gleichungsrechner - Berechnen Sie das Membranpotential

Berechnen Sie das Zellmembranpotential sofort mit unserem kostenlosen Nernst-Gleichungsrechner. Geben Sie Temperatur, Ionenladung und Konzentrationen für präzise elektrochemische Ergebnisse ein.

Nernst-Gleichungsrechner

Berechnen Sie das elektrische Potential in einer Zelle mit der Nernst-Gleichung.

Eingabeparameter

Temperatur*

temperatureHelper: 0°C = 273.15K, 25°C = 298.15K, 37°C = 310.15K

Ionladung (z)*

Konzentration außerhalb der Zelle*

Konzentration innerhalb der Zelle*

Ergebnis

Zellenpotential:

0.00 mV

Kopieren

Was ist die Nernst-Gleichung?

Die Nernst-Gleichung verbindet das Reduktionspotential einer Zelle mit dem Standardzellenpotential, der Temperatur und dem Reaktionsquotienten.

Gleichungsvisualisierung

Nernst-Gleichung

E = E° - (RT/zF) × ln([ion]_out/[ion]_in)

Variablen

E: Zellenpotential (mV)
E°: Standardpotential (0 mV)
R: Gaskonstante (8.314 J/(mol·K))
T: Temperatur (310.15 K)
z: Ionladung (1)
F: Faraday-Konstante (96485 C/mol)
[ion]_out: Außenkonzentration (145 mM)
[ion]_in: Innenkonzentration (12 mM)

Berechnung

RT/zF = (8.314 × 310.15) / (1 × 96485) = 0.026725

ln([ion]_out/[ion]_in) = ln(145/12) = 2.491827

(RT/zF) × ln([ion]_out/[ion]_in) = 0.026725 × 2.491827 × 1000 = 66.59 mV

E = 0 - 66.59 = 0.00 mV

cellDiagram

insideCell

[12 mM]

outsideCell

[145 mM]

ionFlowDirection

Interpretation

Ein Nullpotential zeigt an, dass das System im Gleichgewicht ist.

📚

Dokumentation

Nernst-Gleichung Rechner: Berechnen Sie das Zellmembranpotential online

Berechnen Sie das Zellmembranpotential sofort mit unserem kostenlosen Nernst-Gleichung Rechner. Geben Sie einfach die Temperatur, die Ionenladung und die Konzentrationen ein, um die elektrochemischen Potenziale für Neuronen, Muskelzellen und elektrochemische Systeme zu bestimmen.

Was ist der Nernst-Gleichung Rechner?

Der Nernst-Gleichung Rechner ist ein unverzichtbares Werkzeug zur Berechnung des elektrischen Potentials über Zellmembranen basierend auf Ionenkonzentrationsgradienten. Dieser grundlegende elektrochemische Rechner hilft Studenten, Forschern und Fachleuten, Membranpotential-Werte zu bestimmen, indem Temperatur, Ionenladung und Konzentrationsunterschiede eingegeben werden.

Egal, ob Sie Aktionspotentiale in Neuronen studieren, elektrochemische Zellen entwerfen oder den Ionentransport in biologischen Systemen analysieren, dieser Zellpotential Rechner liefert präzise Ergebnisse unter Verwendung von Prinzipien, die von dem Nobelpreisträger Walther Nernst aufgestellt wurden.

Die Nernst-Gleichung verbindet das elektrochemische Reaktionspotential mit dem Standardelektrodenpotential, der Temperatur und den Ionentätigkeiten. In biologischen Kontexten ist sie entscheidend für das Verständnis, wie Zellen elektrische Gradienten aufrechterhalten – kritisch für die Übertragung von Nervenimpulsen, Muskelkontraktionen und zelluläre Transportprozesse.

Die Nernst-Gleichung Formel

Die Nernst-Gleichung wird mathematisch ausgedrückt als:

$E = E^{\circ} - \frac{RT}{zF} \ln\left(\frac{[C]_{\text{inside}}}{[C]_{\text{outside}}}\right)$

Wo:

$E$ = Zellpotential (Volt)
$E^{\circ}$ = Standardzellpotential (Volt)
$R$ = Universelle Gaskonstante (8.314 J·mol⁻¹·K⁻¹)
$T$ = Absolute Temperatur (Kelvin)
$z$ = Valenz (Ladung) des Ions
$F$ = Faraday-Konstante (96.485 C·mol⁻¹)
$[C]_{\text{inside}}$ = Konzentration des Ions innerhalb der Zelle (molare)
$[C]_{\text{outside}}$ = Konzentration des Ions außerhalb der Zelle (molare)

Für biologische Anwendungen wird die Gleichung oft vereinfacht, indem ein Standardzellpotential ( $E^{\circ}$ ) von null angenommen und das Ergebnis in Millivolt (mV) ausgedrückt wird. Die Gleichung wird dann zu:

$E = -\frac{RT}{zF} \ln\left(\frac{[C]_{\text{outside}}}{[C]_{\text{inside}}}\right) \times 1000$

Das negative Vorzeichen und das umgekehrte Konzentrationsverhältnis spiegeln die Konvention in der Zellphysiologie wider, bei der das Potential typischerweise von innen nach außen der Zelle gemessen wird.

Innerhalb der Zelle [K⁺] = 140 mM

Außerhalb der Zelle [K⁺] = 5 mM

K⁺

E = -61 log([K⁺]outside/[K⁺]inside) mV

Variablen erklärt

Temperatur (T): Gemessen in Kelvin (K), wobei K = °C + 273,15. Die Körpertemperatur beträgt typischerweise 310,15K (37°C).
Ionenladung (z): Die Valenz des Ions, die sein kann:
- +1 für Natrium (Na⁺) und Kalium (K⁺)
- +2 für Calcium (Ca²⁺) und Magnesium (Mg²⁺)
- -1 für Chlorid (Cl⁻)
- -2 für Sulfat (SO₄²⁻)
Ionenkonzentrationen: Gemessen in Millimolar (mM) für biologische Systeme. Typische Werte:
- K⁺: 5 mM außen, 140 mM innen
- Na⁺: 145 mM außen, 12 mM innen
- Cl⁻: 116 mM außen, 4 mM innen
- Ca²⁺: 1,5 mM außen, 0,0001 mM innen
Konstanten:
- Gaskonstante (R): 8.314 J/(mol·K)
- Faraday-Konstante (F): 96.485 C/mol

So berechnen Sie das Membranpotential: Schritt-für-Schritt-Anleitung

Unser Nernst-Gleichung Rechner vereinfacht komplexe elektrochemische Berechnungen in eine intuitive Benutzeroberfläche. Befolgen Sie diese Schritte, um das Zellmembranpotential zu berechnen:

Geben Sie die Temperatur ein: Geben Sie die Temperatur in Kelvin (K) ein. Der Standardwert ist auf die Körpertemperatur (310,15K oder 37°C) eingestellt.
Geben Sie die Ionenladung an: Geben Sie die Valenz (Ladung) des Ions ein, das Sie analysieren. Geben Sie beispielsweise "1" für Kalium (K⁺) oder "-1" für Chlorid (Cl⁻) ein.
Geben Sie die Ionenkonzentrationen ein: Geben Sie die Konzentration des Ions ein:
- Außerhalb der Zelle (extrazelluläre Konzentration) in mM
- Innerhalb der Zelle (intrazelluläre Konzentration) in mM
Sehen Sie sich das Ergebnis an: Der Rechner berechnet automatisch das Membranpotential in Millivolt (mV).
Kopieren oder analysieren: Verwenden Sie die Schaltfläche "Kopieren", um das Ergebnis für Ihre Unterlagen oder weitere Analysen zu kopieren.

Beispielberechnung

Berechnen wir das Nernst-Potential für Kalium (K⁺) bei Körpertemperatur:

Temperatur: 310,15K (37°C)
Ionenladung: +1
Extrazelluläre Konzentration: 5 mM
Intrazelluläre Konzentration: 140 mM

Verwendung der Nernst-Gleichung: $E = -\frac{8.314 \times 310.15}{1 \times 96485} \ln\left(\frac{5}{140}\right) \times 1000$

$E = -\frac{2580.59}{96485} \times \ln(0.0357) \times 1000$

$E = -0.02675 \times (-3.33) \times 1000$

$E = 89.08 \text{ mV}$

Dieses positive Potential zeigt an, dass Kaliumionen dazu neigen, aus der Zelle zu fließen, was mit dem typischen elektrochemischen Gradienten für Kalium übereinstimmt.

Verständnis Ihrer Nernst-Potential Ergebnisse

Das berechnete Membranpotential liefert entscheidende Einblicke in die Ionbewegung über Zellmembranen:

Positives Potential: Ion neigt dazu, aus der Zelle zu fließen (Efflux)
Negatives Potential: Ion neigt dazu, in die Zelle zu fließen (Influx)
Null-Potential: System im Gleichgewicht ohne Nettostrom von Ionen

Die Potenzialgröße spiegelt die Stärke der elektrochemischen Antriebskraft wider. Größere absolute Werte zeigen stärkere Kräfte an, die die Ionbewegung über die Membran antreiben.

Anwendungen der Nernst-Gleichung in Wissenschaft und Medizin

Die Nernst-Gleichung hat umfangreiche Anwendungen in Biologie, Chemie und biomedizinischer Technik:

Zellphysiologie und Medizin

Neuroscience-Forschung: Berechnung des Ruhemembranpotentials und der Aktionspotentialschwellen in Neuronen zum Verständnis der Gehirnfunktion
Herzphysiologie: Bestimmung der elektrischen Eigenschaften von Herzmuskelzellen, die für den normalen Herzrhythmus und die Arrhythmieforschung entscheidend sind
Muskelphysiologie: Analyse von Ionengradienten, die die Muskelkontraktion und -entspannung in Skelett- und glatter Muskulatur steuern
Nierenfunktionsstudien: Untersuchung des Ionentransports in Nierentubuli für das Elektrolytgleichgewicht und die Nierenkrankheitsforschung

Elektrochemie

Batterie-Design: Optimierung elektrochemischer Zellen für Energiespeicheranwendungen.
Korrosionsanalyse: Vorhersage und Verhinderung von Metallkorrosion in verschiedenen Umgebungen.
Galvanisieren: Steuerung von Metallabscheidungsprozessen in industriellen Anwendungen.
Brennstoffzellen: Entwurf effizienter Energieumwandlungsgeräte.

Biotechnologie

Biosensoren: Entwicklung ionenselektiver Elektroden für analytische Anwendungen.
Arzneimittelabgabe: Konstruktion von Systemen für die kontrollierte Freisetzung von geladenen Arzneimolekülen.
Elektrophysiologie: Aufzeichnung und Analyse elektrischer Signale in Zellen und Geweben.

Umweltwissenschaften

Wasserqualitätsüberwachung: Messung von Ionenkonzentrationen in natürlichen Gewässern.
Bodenanalyse: Bewertung der Ionenaustausch-Eigenschaften von Böden für landwirtschaftliche Anwendungen.

Alternative Ansätze

Während die Nernst-Gleichung für Systeme mit einem einzelnen Ion im Gleichgewicht leistungsstark ist, können komplexere Szenarien alternative Ansätze erfordern:

Goldman-Hodgkin-Katz-Gleichung: Berücksichtigt mehrere Ionenspezies mit unterschiedlichen Permeabilitäten über die Membran. Nützlich zur Berechnung des Ruhemembranpotentials von Zellen.
Donnan-Gleichgewicht: Beschreibt die Ionendistribution, wenn große, geladene Moleküle (wie Proteine) die Membran nicht überqueren können.
Computermodellierung: Für nicht-Gleichgewichtszustände können dynamische Simulationen mit Software wie NEURON oder COMSOL geeigneter sein.
Direkte Messung: Verwendung von Techniken wie Patch-Clamp-Elektrophysiologie zur direkten Messung von Membranpotentialen in lebenden Zellen.

Geschichte der Nernst-Gleichung

Die Nernst-Gleichung wurde von dem deutschen Chemiker Walther Hermann Nernst (1864-1941) im Jahr 1889 entwickelt, während er elektrochemische Zellen studierte. Diese bahnbrechende Arbeit war Teil seiner umfassenderen Beiträge zur physikalischen Chemie, insbesondere in der Thermodynamik und Elektrochemie.

Wichtige historische Entwicklungen:

1889: Nernst formulierte seine Gleichung erstmals, während er an der Universität Leipzig, Deutschland, arbeitete.
1890er Jahre: Die Gleichung erlangte Anerkennung als grundlegendes Prinzip in der Elektrochemie, das das Verhalten galvanischer Zellen erklärt.
Frühe 1900er Jahre: Physiologen begannen, die Nernst-Gleichung auf biologische Systeme anzuwenden, insbesondere um die Funktion von Nervenzellen zu verstehen.
1920: Nernst wurde mit dem Nobelpreis für Chemie für seine Arbeiten in der Thermochemie, einschließlich der Entwicklung der Nernst-Gleichung, ausgezeichnet.
1940er-1950er Jahre: Alan Hodgkin und Andrew Huxley erweiterten Nernsts Prinzipien in ihrer bahnbrechenden Arbeit über Aktionspotentiale in Nervenzellen, für die sie später den Nobelpreis erhielten.
1960er Jahre: Die Goldman-Hodgkin-Katz-Gleichung wurde als Erweiterung der Nernst-Gleichung entwickelt, um mehrere Ionenspezies zu berücksichtigen.
Moderne Ära: Die Nernst-Gleichung bleibt grundlegend in Bereichen von der Elektrochemie bis zur Neurowissenschaft, wobei computergestützte Werkzeuge ihre Anwendung zugänglicher machen.

Programmierbeispiele

Hier sind Beispiele, wie man die Nernst-Gleichung in verschiedenen Programmiersprachen implementiert:

1def calculate_nernst_potential(temperature, ion_charge, conc_outside, conc_inside):
2    """
3    Berechnen Sie das Nernst-Potential in Millivolt.
4    
5    Args:
6        temperature: Temperatur in Kelvin
7        ion_charge: Ladung des Ions (Valenz)
8        conc_outside: Konzentration außerhalb der Zelle in mM
9        conc_inside: Konzentration innerhalb der Zelle in mM
10        
11    Returns:
12        Nernst-Potential in Millivolt
13    """
14    import math
15    
16    # Konstanten
17    R = 8.314  # Gaskonstante in J/(mol·K)
18    F = 96485  # Faraday-Konstante in C/mol
19    
20    # Vermeidung von Division durch Null
21    if ion_charge == 0:
22        ion_charge = 1
23    
24    # Überprüfung auf gültige Konzentrationen
25    if conc_inside <= 0 or conc_outside <= 0:
26        return float('nan')
27    
28    # Berechnung des Nernst-Potentials in Millivolt
29    nernst_potential = -(R * temperature / (ion_charge * F)) * math.log(conc_outside / conc_inside) * 1000
30    
31    return nernst_potential
32
33# Beispielverwendung
34temp = 310.15  # Körpertemperatur in Kelvin
35z = 1  # Kaliumionenladung
36c_out = 5  # mM
37c_in = 140  # mM
38
39potential = calculate_nernst_potential(temp, z, c_out, c_in)
40print(f"Nernst-Potential: {potential:.2f} mV")
41

1function calculateNernstPotential(temperature, ionCharge, concOutside, concInside) {
2  // Konstanten
3  const R = 8.314;  // Gaskonstante in J/(mol·K)
4  const F = 96485;  // Faraday-Konstante in C/mol
5  
6  // Vermeidung von Division durch Null
7  if (ionCharge === 0) {
8    ionCharge = 1;
9  }
10  
11  // Überprüfung auf gültige Konzentrationen
12  if (concInside <= 0 || concOutside <= 0) {
13    return NaN;
14  }
15  
16  // Berechnung des Nernst-Potentials in Millivolt
17  const nernstPotential = -(R * temperature / (ionCharge * F)) * 
18                          Math.log(concOutside / concInside) * 1000;
19  
20  return nernstPotential;
21}
22
23// Beispielverwendung
24const temp = 310.15;  // Körpertemperatur in Kelvin
25const z = 1;  // Kaliumionenladung
26const cOut = 5;  // mM
27const cIn = 140;  // mM
28
29const potential = calculateNernstPotential(temp, z, cOut, cIn);
30console.log(`Nernst-Potential: ${potential.toFixed(2)} mV`);
31

public class NernstCalculator {
    // Konstanten
    private static final double R = 8.314;  // Gaskonstante in J/(mol·K)

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