拡散と浸透

拡散と浸透

この動画では、いくつかの事を取り上げていく。

それぞれ関係のある話なんだ。

ある程度までは、簡単な話なんだけど

見方によっては、結構混乱しがちな とこなんだ。

うまく理解できるといいんだけど。

こうやって、始めると分かりやすいはず。
ちょっと想像してみほしい。

ここに、ちょっとした入れ物がある。

これが、その入れ物。
その入れ物の中に…

水の分子が、あったとしよう。

ただの水の分子だ。

分子はお互いに、くっつきあっている。

液体になってるんだね。水の液体。

そしてその水分子の中に、

砂糖の分子を持ってこよう。

砂糖は、このピンク色にしようか。

ここに砂糖の分子を、かいておこう。

だけど、水の分子の方が、数はずっと多い。

そこは、はっきりしとかないとね。

ここでは、水の分子の方が、ずっと多いとしておこう。

よし。そして、こういう状況の時、「より多く」溶けているものを

「溶媒」という。

だからこの場合、水の分子の方が多いので、

これを見たら、どちらが「より多いか」すぐに分かるよね。

ここで細かいモルの話はするつもりはない。

みんな、モルの話を聞いたり、聞いたことがなかったりだろうから。

まぁでも、「より多く」溶けているもの、それが何であっても

「溶媒」と呼ぶんだ。

だからこの場合、水が溶媒だね。

そして、「より少ない」もの、この場合は

砂糖になるけど、これが「溶質」になる。

これが溶質、ここでは砂糖だね。

必ずしも、砂糖である必要はないよ。

水の中にある、「より少ない」分子であれば、何でもいい。

この場合はね。

「砂糖が、溶質」と。

こういう時、「砂糖が水に溶けている」って言うよね。

「砂糖が水に溶けている」と。

このことを、つまり、水の分子と砂糖の分子の結合を

「溶解」という。

これが「溶解」ね。

つまい、溶解には「溶媒」と「溶質」がある。

溶媒が水。

それが「溶かしている」方で、

「溶けている」のが、砂糖だね。

これが、溶解。

もしかしたら、これは知ってたかもしれないけど

これから「拡散」の仕組みについて、話たかったから

ちょっと、おさらいをしたわけ。

その仕組みは、実はとてもわかりやすい。

そしたら、もう一つ入れ物があるとしよう。

ちょっとだけ違う入れ物にしよう。

拡散について話すためにね。

また後で、水と砂糖には、戻ってくるよ。

特に、水の方に。

ここに入れ物があります。そしてそこには、

空気の分子が、いくつかあるとしよう。

何でもいい、酸素でも二酸化炭素でも。

ここに、空気の分子をかいておこう。

これは気体だとしよう。話しやすいようにね。

気体の酸素にしようか。

なので、これはそれぞれO２（酸素）になる、だよね？

これが今の状態です。

ここは全部真空で、ある程度の

温度があるとする。

そして、こっちは水の分子だったけど、

それには、運動エネルギーがある。

ここでは、ランダムな動きをしているわけだ。

ここで、問題。この入れ物の中では、

何が起こるでしょう？

こいつらは、ランダムにぶつかりお互い

ぶつかり合うんだね。

きっと右上の方より、左下の方で

ぶつかり合うことが、多いだろうね。

だから、もしこいつが左下にいけば

他のにぶつかって、

右上の方に、跳んでいくだろう。

けど右上の方には、

何もぶつかるものがない。

だから普通に考えると、すべての分子が
ランダムに動いていれば

右上の方へ動いていくことが

多くなりそうだね。

左の方にいけば、他のやつに

ぶつかっちゃうからだ。

これは、まぁ当たり前のことだよね。

時間がたつと、「均衡」した状態になっていく。

その細かい意味は、

ここでは話さないけど。

気になる人は、熱力学の動画を

見てみて。

最終的には、入れ物は

こんな感じになるね。

正確には、保証できないけど。

実際こんな感じのままでいる、可能性もあるからね。

ただかなりの確率で、５つの分子は

比較的広がっていくはずだ。

これが「拡散」。つまり、それは

高密度なところから低密度なところへの、

分子の移動のことなんだ。

この場合、分子はこっちの高密度なところから

低密度なところへ

広がっていく。

でも、こう思ったんじゃない？
Sal、「密度」って何だよ？って。

密度をはかる方法は、たくさんあるけど

モル濃度と質量モル濃度で、調べることができる。

まぁでも簡単に言えば、１単位空間に

どれだけの分子が、存在してるかってこと。

ここには、単位空間あたり、たくさんの分子が存在している。

そして、こっちの方はずっと少ない。

単位空間あたりね。

なので、こっちが高密度で、

こっちが低密度。

他にももう一つ、実験を考えてみよう。

こんな溶解を考えてみて。

こんな感じ。

こんな感じの

入れ物が２つあるとしよう。

２つの入れ物ね。

溶解の話に戻るよ。

これは気体だったけど、初めの例を

使って考えてみよう。

ここにドアがあるとしよう。

水の分子や砂糖の分子よりも大きいドア。

そして両方に、水の分子がある。

こんな感じね。

たくさんの水の分子があるわけだ。

ここにある水の分子は、

ランダムな方向に、跳ね回るので

水の分子がこっちに行く確率は、逆の方向に、

水分子が移動する確率と等しくなる。そうなると

両方同じ量の水分子が、存在することになる。

じゃないと、水圧が変わってしまう。

けどここでは、水かさは同じ。

こっちの水かさとね。

なので、片方からもう一方へ

水圧はかかっていない状態だ。

仮に何らかの理由で、水の分子が

右の方へ移動すると、

突然こっちの水が多くなるわけだけど、

そんなことは普通、起こらないね。

こんなふうに、２つの水の入れ物があるわけ。

それじゃあ、ここに溶質を入れてみよう。

溶質を、左側だけに

溶かしてみるとしよう。

左側に、砂糖の分子を入れていく。

こいつらは小さいので、この小さな通路を通ることができる。

これは、最初に決めておいたことだね。

それじゃあ、何が起こるだろう？

こいつらがみんな持ってるのは、何らかの運動エネルギーだ。

みんな飛び跳ね回る。

そして、時間をかけて、水は行ったり来たり。

この水分子は、こっちに行くかもしれない。

別の水分子が、あっちに行くかもしれない。

でも全体の量は変わらない。
けど時間をかけて、大きな砂糖の分子が、

右側に行ってしまうこともあるだろう。

こいつかもしれない。こっちの方に行く代わりに

別の方に進み出した。

こいつは、２つの入れ物をつなぐトンネルを抜けて

ここまでたどり着いたとしよう。

こいつは、まだ飛び回っている。

元に戻る可能性もあるけど、そこには

こっち側より、たくさんの砂糖分子がある。

なので、左側のやつが右に移動する可能性の方が、

右側のやつが左に移動する可能性より、

高そうだね。

それじゃあ、とてつもない数の分子で、これを考えてみよう。

今は４つだけでやったけど。時間をかけて、

分子は広がっていく。そして密度は

だいたい同じになっていく。

だから時間がたつと、こっちに２つになるかもしれない。

分子が３つとか、４つとか、５つだけだと

同じ数にならない可能性もあるだろうけど、

これが、とてつもない数の分子の話になれば

かなりの確率で、同じくらいの数になるはずだね。

けど、これは元をたどると

高い密度の入れ物から、低い密度の入れ物への

移動から始まった。分子は

高い密度のところから、低い密度のところへと

移っていったんだね。

つまり、拡散したわけだ。

そう、これは「拡散」

これは「拡散」なんだ。

ここで、拡散と一緒によく出てくる言葉も

勉強しておこう。ここから始めたんだね。

こっちが高密度だったわけだ。

こっちの左側は、高密度ですよと。

「高密度」と。

それは、もう１つ比べてってことね。

こっちのやつより、高密度ってこと。

そしてこっちの右側は、低密度だ。

「低密度」

そして、こういう状態を表す言葉がある。

この高密度な溶液のことを

「高張液」っていう。

ここに、黄色で書いておこう。

「高張液」

ここでの「高張」の意味は、よりたくさんのものを

含んでいるってこと。

そしてこっちの低密度の方が、「低張液」になる。

「低張液」

もしかしたら、家族や親戚が言ってるのを
聞いたことがあるかもしれない。

しばらくご飯を食べてなくて、「低血糖」だって。

それはつまり、頭がふらふらしたり

感じることが多いんだけど。

それは血液の中に、十分な糖がない状態で、

意識が飛びそうになるので、食事をとらないといけない。

逆にキャンディーバーを食べれば、「高血糖」になることもある。

そこまでいかなくても、糖が多くなる。

これは知っておくといい
接頭辞（英単語の始まりにつく言葉）だね。

「高張」は、たくさんの溶質を含んでいること。

高密度ってことだね。

「低張」は、溶質がそれほど含まれていないこと。

これは、低密度になる。

これは知っといたほうがいい言葉だ。

つまり、拡散は、この例みたいに拡散するのに

壁がないような場合は、溶質は高密度の方、

つまり高張液から、

低張液、つまり密度が低い方へと

移動する。

それじゃあ、ここで１つ面白い実験をやってみよう。

ここまで拡散について話してきた、

溶質の拡散についてだね。

そして一般的には、これはいつもそうとは限らないけど

できるだけ一般化して話すと、溶質は

溶液の中で少ないもので、溶媒は

より多いものだね。

最も一般的な溶媒は、水だけど

必ずしも水である必要はない。

アルコールのようなものでもいいし、

水銀でもいい。

それは分子の集まりであればいいんだけど、

水は、生物学的にも化学的にも

最も典型的な溶媒だ。

つまり、他のものが解けていくことになる。

それじゃあ、溶質が通れないくらい小さく

水が通れるくらいのドアがあったら、どうなるだろう？

そんな溶解について、考えてみよう。

それを考えるために、ちょっとおもしろいことを

してみるよ。

ここに、入れ物があるとしよう。

実際には、入れ物はかかないけど。

たくさんの水を含んだ、ある環境を

考えてみよう。

これがその環境で、そこには

こういう膜で囲まれた組織がある。

ここに膜で囲まれた組織がある。

水は、この組織に出入りできる。

なので、これは「半透膜」になる。

っていうのは、水は通ることができるけど、溶質は

膜を通ることができないってこと。

溶質は、砂糖にしよう。

水は膜の内側と

外側、両方にある。

これは小さな水の分子だね。

これが、膜状の組織。

そして砂糖の分子があるとする。

ここでは、砂糖にしたけど

それは別に何でもいい。

ここに砂糖の分子があるとして、

ちょっと大きいか、かなり大きいもしれない。

実際には、水の分子よりかなり大きい。

４つしか、分子はかいてないけど

実際には、ものすごくたくさんあるわけだね。

水の分子は、それよりずっと多い。

水の分子が、砂糖の分子より、ずっと多いのが

分かってもらえたらいい。

そして、この膜は半透膜。

全透膜は、ものを通す。

半透膜は、完全にものを通すわけではない。

なので、ここでいう半透膜は、

水を通すことができる。

水は通ることができるけど、砂糖は通れない。

砂糖は、大きすぎるんだ。

なので、実際の膜を拡大してみたとすると

膜は、こんなふうになっているだろうね。

この膜を、拡大してみよう。

こんなふうに、小さな穴が膜にはあるんだ。

そして水の分子の大きさは、これくらい。

なので、この穴を通ることができる。

水の分子は、穴を行ったり来たりすることができるけど

砂糖の分子は、これくらいの大きさなので

穴を通り抜けることは、できない。

水の分子は大きすぎて、この開いたところを

行ったり来たりすることは、できないんだ。

それじゃあ、この状況で何が起きるだろう？

まずはじめに、新しく学んだ言葉で考えてみよう。

覚えてるかな、砂糖は溶質。

水は溶媒。

そして、半透膜。

膜のどちら側が、溶質の密度が

高いだろう？

そう、内側だね。

この内側が、高張になっている。

外側は低密度なので、

低張だ。

それじゃあ、もしこの開いたところが大きければ

さっきの話では、こいつらは跳ね回ってるけど

水は両方に、同じ確率で動いていく。

それかもしくは、この後すぐに

話すようなことになる。

もし全ての部分が開いていれば、同じ確率で動くだろうね。

そして、こいつら砂糖の分子も、

こっち側にやってきて、最終的には

同じ密度になっていく。

今まで通りの拡散の話は、

溶質の高密度の方から、

低密度の方への移動だった。

けどこの場合、こいつらは

穴を通ることができない。

水だけが、行ったり来たりできるんだ。

もしこいつらがここにいなければ、

水はこっち側にある確率で動いて、それと同じ確率で

反対側にも動く。完全に同じ確率だ。

でもこの場合、こいつらが右側にいるので

つまり、膜の内側だね。

これは膜の内側を拡大したところだったけど、

こいつらが穴の近くにいることで、

わずかにだけど、穴の近くにいる水が

移動する確率が低くなるんだ。なので実際には、

水が出ていくより、入ってくる方が多くなる。

これは、とても大事なところ。

もし砂糖の分子が、こちら側にいなければ

明らかに、両方に同じ確率で移動していく。

でも今は砂糖の分子があるので、

砂糖の分子が、右側にあるんだね。

こいつらがブロックをしてくる、
たぶん一番分かりやすい考え方だと思うけど

穴に近づこうとするのを、ブロックしてくるんだ。

こいつら自身は、穴を通り抜けていくことはできないし、

穴を完全にふさぐこともないけど、ランダムに

動いているんだね。

だから水の分子が近づくと、

これは全て確率の話だけど、ものすごい量の分子だから

かなりの確率で、外に出ようとするのを

ブロックされるわけだ。

けど外側の水の分子には、

内側に入っていく流れを

ふさぐものはない。

なので、この半透膜の場合、

水は、差引すると

内側にだけ、流れていくことになる。

こりゃ、おもしろい状況だね。

低張な方から、高張な方へ

溶媒が溶けていくわけだ。でもそれは

溶質に関して、低張ってことだよ。

他の見方をして、水に関して考えてみると

もし溶媒が砂糖だと見ると

高密度な方から、低密度な方への流れと考えられる。

混乱させるわけじゃないよ。

ここで混乱してしまいがちなんだ。けど、

何が起こっているかだけ、分かればいい。

どんな状況でも、溶解で起こるのは、

密度を同じにしようとする

動きでしかない。

できるだけ両方の密度を

同じにしようとする。

それは別に魔法でもない。

自然にそうなってしまうんだ。

すべては、確率で決まっていて、

分子は自由に動き回るわけだけど、

水がより、内側に入りやすいだけのことなんだ。

なので実際には、低張な方、

つまり溶質（ここでは砂糖だね）の低密度な方から

溶質の高密度な方に、移動する。

そして、この膜が伸び縮みするものだと

たくさんの水が入ってきて

膜は伸びていく。

ここらへんについては、詳しくはやらないけど

この水の動き、溶媒の動きについての考え方、

水が半透膜を通って、溶解していくこと

これが、「浸透」なんだ。

浸透について勉強して、もしかしたら

教科書に頭を突っ伏してたり、
頭にしみこんでいったかもしれない。

言ってることは同じ。

この現象を浸透と言うんだ。

半透膜に水が染み渡っていき

密度を同じにしようとする働きだ。

なので、ここが高密度で

こっちが低密度だとしよう。

もしここに膜がなかったら、この大きな分子は出ていくね。

でもここに半透膜があるから、

それはできない。

仕組みは、魔法でも何でもなくて、確率の話。

密度を同じにしようと、よりたくさんの水が

入っていこうとしているだけだ。

そして最終的に、外側の分子は少なくなるね。

それほど高密度じゃなくなるんだ。
最終的に、こうした事が起こっていって

同じ密度にまで達すれば

こっち側の密度と

右側の密度が同じになれば、

右側は、水の分子でいっぱいになって

全体の量は、増えていくだろうからね。

そしてここで、水の右側と左側に

移動する可能性は、同じになって

一定の均衡状態になるんだ。

けど、はっきりさせておきたいのは、

拡散は、ある物質の高密度の状態から

より密度の低い場所への広がりだってこと、

ただ、広がっていくだけ。

浸透は、水の拡散だ。

そしてたいていは、溶媒としての水の拡散のことで、

だいたい、半透膜のところでの話になる。

そのときは、溶質は

膜を通ることができないんだね。

まぁとにかく、これが役に立って

混乱させてなければ、いいんだけどね。