質問: 生理学についてです2 純粋と水溶液を水だけ通す半透膜で仕切ると、水溶液中に水が浸透する。 水溶液の濃度が濃くなれば、水溶液の水の拡散力は小さくなるが、浸透圧は逆に大きくなる。 それはなぜか?
回答: 浸透圧は、物理化学(特に熱力学)における溶液の性質です。溶液とその溶媒を半透膜で隔てた場合、溶媒側から溶液側へ向かって溶媒が浸透しますが、これを阻止するために要する溶液側の圧力が「浸透圧」です。 質問者様は「生理学について」とおっしゃるので、あまり熱力学には関わらない専攻なのでしょう。そこで、以下にさしあげる回答は、できるかぎり定性的に説明するつもりです。 浸透圧は、半透膜で隔てられた溶液(または純溶媒)のもつ化学ポテンシャルの差が成因となっています。溶質が溶媒に溶解する過程は自発的ですが、その逆の過程はありえませんから(例えば、角砂糖は水に勝手に溶けますが、砂糖水は角砂糖に勝手に戻らない)、溶液のほうが溶媒より低いエネルギー状態といえます。このエネルギーの差が溶液の化学ポテンシャルです。化学ポテンシャルの異なる系が接すれば、その差のなくなる方向へ熱力学的な相互作用が生じます(イメージとしては、リンゴが枝から地面へ落ちるように)。ここで、化学ポテンシャルの大きい溶液から小さい溶液へはたらく圧力のつりあいが、まさに浸透圧です(イメージとしては、リンゴの重さを支える枝の張力のように)。 したがって、半透膜を隔てた溶液間の浸透方向(質問文でいう“拡散力”)と浸透圧が相反するわけが、おのずと理解されるでしょう。 浸透圧の成因について、もっと平易に説明しましょう。そもそも溶質が溶媒に溶解するのは、溶質が溶媒分子に引きつけられた結果です(これを「溶媒和」といいます)。溶質を引きつけた溶媒分子は、当然、半透膜間を拡散することができません。したがって、溶質とその溶媒を半透膜で隔てれば、溶媒分子の拡散は、溶質側より純溶媒側のほうが速くなります。この拡散を押し返すために要する溶質側の圧力が、まさしく浸透圧です。 したがって、溶媒分子の拡散方向(質問文でいう“拡散力”)と溶質の浸透圧が相反するわけです。 ちなみに浸透圧の概念は、生理学においても重要です。とりわけ腎臓の生理を理解するために欠かせません。また、今後学習するであろう病理学においては脱水、薬理学においては輸液、利尿薬を理解するのに必要です。