12.11: 浸透圧及び溶液の浸透圧

天然素材や合成素材の中には、特定の大きさ、形状、極性、電荷などを持つ分子やイオンだけが透過できる選択的透過性を示すものが数多くあります。生物の細胞膜は自然界における選択的透過の優れた例であり、血液中の代謝老廃物を除去するための透析チューブは、より単純化した技術例です。それらがどのように製造されるかに関係なく、これらの材料は一般に半透膜と呼ばれます。

U字型の装置を考えてみましょう。純粋な溶媒と溶液のサンプルは、溶媒分子だけが透過できる膜で隔てられています。溶媒分子は膜を越えて両方向に拡散します。純粋な溶媒の方が溶液よりも溶媒の濃度が高いので、これらの分子は、膜の溶媒側から溶液側へ、逆方向よりも速い速度で拡散します。その結果、純溶媒から溶液への溶媒分子の正味の移動が生じます。半透膜を介した拡散による溶媒分子の移動は、「浸透」と呼ばれるプロセスです。

上述の装置で浸透を行うと、溶媒の蓄積によって希釈された溶液の体積が増加します。それに伴い溶液の液面が上昇することで静水圧（チューブ内の溶液の柱の重さ）が高まり、溶媒分子が純粋な溶媒側に戻る速度が速くなります。この静水圧が逆方向の溶媒移動速度による浸透率と等しくなる値に達すると、溶媒分子の移動が停止します。この圧力を溶液の浸透圧（Π）といいます。希薄な溶液の浸透圧は、溶質のモル度Mと絶対温度Tとの間に次の式の関係があります。

ここでRは気体定数です。

このような装置に溶液を入れ、溶液の浸透圧以上の圧力をかけると、浸透方向が反転し、溶液中の溶媒分子が純粋な溶媒中に押し出されます。この逆浸透の技術は、大規模な海水の淡水化や、小規模では純度の高い水道水の製造に利用されています。

上記の文章は以下から引用しました。Openstax, Chemistry 2e, Section 11.4: Colligative Properties.

半透膜は、一部の物質を通過させますが、他の物質は通過させません。半透膜を横切って溶質濃度の高い溶液への溶媒分子のこの移動は、浸透と呼ばれます。

左側に純水が入ったU字型のチューブ、右側に半透膜で区切られた砂糖溶液を考えてみましょう。

水分子は、濃度平衡を確立しようとしますが、その逆よりも速い速度で糖溶液に流れます。

水が右に流れると、2つのアームの液体のレベルが等しくなくなります。

最終的に、右側の余分な水の重量が加わることで、浸透を止めるのに十分な圧力がかかります。

浸透を止めるために必要な最小圧力は、浸透圧と呼ばれます。これは、溶液中の溶質濃度に依存する照合特性です。

溶質の濃度が増加すると、浸透圧は比例して増加します。

π浸透圧は、溶質のモル濃度にケルビン単位の温度と理想気体定数R(0.0821リットル/モルケルビン)を掛けることによって計算できます。

糖溶液の濃度が1.00モルの場合、25°Cまたは298Kでは、浸透圧は24.5気圧になります。

2つの溶液の浸透圧が等しい場合、それらは等張性と呼ばれます。

1つの溶液の浸透圧が低い場合、溶質濃度が高い溶液と比較して低張性です。

濃縮された溶液は、希薄な溶液と比較して高張と呼ばれます。

赤血球を高張溶液に入れると、水は半透性の細胞膜の細孔を通って出ます。このプロセスはクレネーションと呼ばれ、細胞がしわが寄る原因となります。

逆に、赤血球を低張液に入れると、水が外部から細胞に移動し、細胞が膨らみ、最終的には溶血と呼ばれるプロセスで破裂します。

人に静脈内輸液を投与する場合、椎間創血や溶血を防ぐために、体液は血球の細胞内溶液と等張性でなければなりません。