総合基礎薬学特別講義 I 平成26年6月7日

物質の移動 １ 拡散 ２ 沈降現象 ３ 透過 ４ レオロジー SBO 拡散および溶解速度について説明できる。 １　拡散　　 ２　沈降現象 ３　透過 ４　レオロジー SBO　拡散および溶解速度について説明できる。 SBO　沈降現象について説明できる。 SBO　流動現象および粘度について説明できる。

1 拡散 diffusion F Fr 溶液中の溶質の移動 η : 粘度 v ： 移動速度 f ： 摩擦係数 駆動力 摩擦力 溶液中の溶質の移動 F ○ 液体や気体中を乱雑な熱運動により，分子やイオンなどの粒子が移動していく過程 Fr ○ 溶液中，溶質分子が濃度の高領域から低領域へと濃度勾配にしたがって広がっていく現象 η : 粘度 f ： 摩擦係数 v ： 移動速度 ○ 拡散は 駆動力 と 摩擦力が釣り合ったときにおこる 濃度勾配 （拡散速度 vs ＝　定常状態の移動速度） 駆動力と摩擦力は溶媒と溶質の性質によって左右される

1 拡散 diffusion 1 拡散 diffusion (1) 流束 J （mol m-2 s-1） (2) フィックの第一法則 　　(定常状態拡散）　 流束＝－（拡散係数）×（濃度勾配） 拡散係数 D： SI単位　m2∙s-1

1 拡散 diffusion 水中における拡散係数 D （x 10-9 m-2 s-1） 物質 分子量 拡散係数 水 2.26 （25℃） 　　2.26　　 （25℃） グリシン 75 　　1.05　　 （25℃） スクロース 342 　　0.522　　（25℃） リゾチーム 14 400 　　0.112　　（20℃） ヒト血清アルブミン 68 500 　　0.061　　（20℃） ヒトフィブリノーゲン 339 700 　　0.0202　 （20℃） ポリメチルメタクリル酸 1 420 000 　　0.0225　 （25℃）

1 拡散 diffusion (3) フィックの第二法則 (3) フィックの第二法則　 時間経過とともに，濃度の高いところから，濃度の低いところに物質が移動していく様子を表す式 フィックの第一法則を用いると 溶質濃度の時間変化が，濃度勾配の変化の度合いに比例する。

1 拡散 diffusion (4) 拡散の熱力学的な考え方 ○ 溶質分子１個に働く力 F （濃度勾配によって生じる駆動力） (4) 拡散の熱力学的な考え方　 ○ 溶質分子１個に働く力　 F　 　　　（濃度勾配によって生じる駆動力） kB ： ボルツマン定数 エネルギー ＝ 力 × 距離 化学ポテンシャルは1モル当たりのエネルギーである。 ○ 溶質分子は溶媒中を拡散していくとき，摩擦力が駆動力とつりあうまで速度が増加し，それ以後は速度一定となる。　 　 摩擦力　=　f∙v

1 拡散 diffusion (4) 拡散の熱力学的な考え方 フィックの第一法則 アインシュタイン-ストークスの式 (4) 拡散の熱力学的な考え方　 濃度 c をかけると，溶質粒子の流れ，すなわち流束 J が得られる。 フィックの第一法則 アインシュタイン-ストークスの式 温度 T を上げると，拡散係数 D は増加する。 つまり，温度が高いほど物質は速く移動する。

1 拡散 diffusion ○ 拡散に影響を与える溶媒・溶質の性質 濃度勾配 溶媒の温度 小 → 大 低 → 高 駆動力 F ○ 拡散に影響を与える溶媒・溶質の性質　 濃度勾配 溶媒の温度 小　→　大 低　→　高 駆動力　F 拡散速度 vs 溶質の大きさ 溶媒の粘度 小　→　大 低　→　高 摩擦係数 f 拡散速度 D 大　→　小

1 拡散 diffusion (5) 分子の並進運動と拡散 拡散を分子1個に注目すると， ○ 分子同士の衝突による無秩序な並進運動 (5) 分子の並進運動と拡散　 拡散を分子1個に注目すると， 　　○ 分子同士の衝突による無秩序な並進運動 ランダム歩行　（酔歩） ○ 二乗平均移動距離 d

2 沈降 sedimentaion 重力による自然沈降 g ○ 半径ｒの球形粒子が粘度  の溶媒中を 自由落下する場合の駆動力 F ○ 摩擦力 Ff ＝ f （摩擦係数） vs（沈降速度）

2 沈降 sedimentaion 重力による自然沈降 駆動力 F が摩擦力 Ff とつりあうところで 沈降速度が一定になる。 ストークスの式 粒子の沈降を抑えるには， ① 粒子径 を小さくする。 ② 粒子と溶媒の密度差を小さくする。 ③ 粒子の粘度を上げる。

2 沈降 sedimentaion (2) 超遠心による沈降 沈降平衡： 拡散速度＝沈降速度 溶液をあまり大きくはない回転数で回転 沈降平衡： 拡散速度＝沈降速度 溶液をあまり大きくはない回転数で回転 ↓ 沈降効果により溶質分子は管の底部沈降 濃度勾配ができる。 拡散効果が発生する。 沈降平衡に達する。 ↓　溶質の濃度比， ↓　 溶媒の密度， ↓　 溶質の部分比容 溶質のモル質量が求まる。 ○コロイド粒子 （粒子径1 mm以下） ○巨大分子 （たんぱく質，核酸，多糖類など分子量が10 ～ 100 kDa）

3 透過 permiation （１）膜透過 膜内での溶質分子の拡散は フィックの第一法則で表される。 分配係数 （ K = c2/c1 = c3/c4 ）を考慮すると， 膜透過係数

3 透過 permiation （１）膜透過 膜透過の指標 ① 膜への分配が高いほど ②分子サイズが小さいほど ③溶液の温度が高いほど 膜透過係数は大きくなる。

3 透過 permiation (2) 溶解 dissolution Nernst – Noyes – Whitney 式 溶質分子の拡散はフィックの第一法則で表される。 A : 固体の表面積 Nernst – Noyes – Whitney 式

3 透過 permiation (2) 溶解 dissolution Nernst – Noyes – Whitney 式 ○ 溶解速度を速くするための条件 ① 溶解度 Cs を高くする。 ② 固体表面積 A を大きくする。 ③ 拡散層の厚さ h を薄くする。 ④ 温度を上昇 → D の増大

a フィックの第一法則 slide 4 b フィックの第二法則 slide 6 c 薬物の移動速度 slide 13 d シンク条件 高濃度側に比べて，低濃度側の溶質濃度が 0 とみなせる条件

4 レオロジー Rheology “ｒheo” = “flow” 「物質の変形と流動に関する化学」 by E. C. Bingham ○ 応力　stress　 　　　　S ： 外力 F の作用によって生じた内力　 ( Pa = N m-2) ○ ひずみ strain 　　　　g ： 物体の大きさに関係しない相対的な変形量 ○ 弾性 elasticity； 応力がゼロになったとき， 直ちに元の平衡状態に戻る性質 ○ 粘性 viscosity：ごく小さい応力に対しては固体として弾性を示すが，ある限界以上の応力では流動する　 (乳液、クリーム） ○ 塑性 plasticity：力を取り除いても元にはもどらない性質 　　　　　　　　　　　　（プラスチック製定規） F S

4　レオロジー　Rheology 力（応力）－物質の変形（流動）－時間の関係を定量的に解析 せん断応力　 S せん断速度 　D

4 レオロジー Rheology (1) 変形および流動 ○ ニュートン流動 純溶媒 粘度  (mPa∙s) 水 1.002 アセトン 　　○ ニュートン流動 純溶媒 粘度 　(mPa∙s) 水 1.002 アセトン 0.322 エタノール 1.200 ベンゼン 0.652 グリセリン 1412

4 レオロジー Rheology ○ 非ニュートン流動 準粘性流動　　アルギン酸ナトリウム，メチルセルロース，カルメロースナトリウムなどの鎖状高分子の１％前後の水溶液 塑性流動　(ビンガム流動）　　軟膏，チンク油のような濃厚な懸濁系 擬塑性流動（準塑性流動）　アルギン酸ナトリウム，メチルセルロース，カルメロースナトリウムなどの鎖状高分子の濃厚な溶液 ダイラタント流動　　でんぷんのような比凝集性の粒子高濃度（50％以上）のサスペンション　　

4 レオロジー Rheology (2) 粘度  アンドレードの式 ○ 温度上昇に伴い，粘度は低下する ○ 純液体の粘度　　　　　　　 　（Pa∙s ＝ N∙s∙m-2 ＝ kg∙m-1∙s-1） 　　動粘度（動粘性率）　　　　/　（m2∙s-1）　　　　　　 密度  　　流動度（流動性の指標）　1/　　　

4 レオロジー Rheology (2) 粘度 濃度 c の溶液の粘度  溶媒の粘度 0 ○ 溶液の粘度 相対粘度 rel 溶媒の粘度　 0 ○ 溶液の粘度 相対粘度　 rel 比粘度　　　sp 還元粘度 red 固有粘度　 [] (L/g)　　　 固有粘度は粘度ではなく、濃度の逆数 マーク – ハウインクの式

4 レオロジー Rheology (3) 粘度測定法 (a) オストワルド粘度計 (b) 回転粘度計 (c) 落球粘度計 ウベローデ型粘度計 　ニュートン流体 ニュートン流体 非ニュートン流体 非常に高粘度のもの の測定

卒試・国家試験に向けて 頑張ってください！！！！ 平成２６年６月７日