浸透圧

浸透圧の基本原理

浸透圧は溶媒（通常は水）が半透膜を通過して移動することで生じる圧力です。半透膜は、溶媒分子（例えば水分子）は通過させますが、溶質分子（例えば塩や糖）は通過させない性質を持っています。溶媒分子は、濃度の低い溶液から濃度の高い溶液へと移動します。これは、濃度差を解消しようとする自然の拡散現象に基づいています。浸透圧は、溶液のモル濃度に直接関連し、高濃度の溶液ほど浸透圧が高くなります。

水処理における浸透圧の利用は、「逆浸透」と「正浸透」の二つの主要なプロセスを通じて、不純物の除去と純水の生成を効果的に実現しています。

逆浸透は、自然の浸透現象を逆方向に利用するプロセスです。通常、浸透では溶媒が低濃度の溶液から高濃度の溶液へ自然に移動しますが、逆浸透ではこれとは逆に、外部から圧力をかけることで高濃度側から低濃度側へ溶媒を強制的に移動させます。

正浸透は、自然の浸透圧を利用するプロセスです。ここでは、高浸透圧の溶液を用いて、自然に低浸透圧の水を引き寄せます。正浸透では、外部から圧力を加えることなく、自然に発生する浸透圧の差を利用するため、エネルギー消費が少ないという特長があります。

半透膜と選択的透過性

半透膜は、特定のサイズや性質を持つ分子のみを通過させる性質を持ちます。これは浸透圧を理解する上で重要です。例えば、細胞膜は水分子を自由に通過させますが、イオンや大きな有機分子は通過しにくくなっています。

浸透圧の発生メカニズム

溶媒の移動
• 溶媒分子は半透膜を通過して、低濃度の溶液から高濃度の溶液へ移動します。この移動は、濃度勾配を解消しようとする自然の力（拡散）によって引き起こされます。

圧力の平衡
• 溶媒が移動すると、高濃度側の溶液の体積が増加し、その側の圧力が上昇します。この圧力は、さらに溶媒が移動するのを防ぐ方向に働きます。最終的に、溶媒の移動が停止する点で圧力が平衡に達します。この平衡点の圧力が浸透圧です。

浸透圧の利用

１．細胞内外の水分バランス
• 細胞膜を通じた水分の移動は、細胞内外の浸透圧の差によって決定されます。高浸透圧の環境に置かれると、細胞は水を失い収縮します（高張溶液）。逆に、低浸透圧の環境では、細胞は水を吸収して膨張します（低張溶液）。等張溶液では、水の移動がバランスされ、細胞の形状が維持されます。

２．植物の水分吸収
• 植物の根は、土壌中の水を吸収するために浸透圧を利用します。根の細胞内の高濃度の溶液が、土壌中の水を引き込む力となります。これは根圧とも呼ばれ、植物が水を吸い上げるメカニズムの一部です。

３．体液の調節
• 動物の体内では、浸透圧が血液や細胞外液のバランスを調節するのに重要です。腎臓は浸透圧を調節し、体内の水分と電解質のバランスを保ちます。例えば、腎臓は尿を濃縮または希釈することで血液中の浸透圧を調整します。

浸透圧の計算とファントホッフの式

浸透圧（π）は、ファントホッフの式を使って以下のように計算されます：

π = iMRT

i： ファントホッフ因子（溶質が解離する度合い）。例えば、NaClは水に溶解するとNa⁺とCl⁻に解離するため、iは2になります。
M： 溶液のモル濃度（mol/L）
R： 気体定数（0.0821 L·atm/(K·mol)）
T： 絶対温度（ケルビン、K）

この式は、理想的な溶液における浸透圧を予測するために使用されますが、現実の溶液では相互作用などにより多少の誤差が生じることがあります。