総合基礎薬学特別講義 I

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。 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。

溶液中の溶質の移動 1　拡散　diffusion 駆動力摩擦力 ○ 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 F 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 v：移動速度 f ：摩擦係数 ○ 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 10-9m-2s-1）

1　拡散　diffusion (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） kB：ボルツマン定数 ○ 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

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 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 F ○ 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） S ○ 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）

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

4　レオロジー　Rheology ○ 非ニュートン流動

4　レオロジー　Rheology (2) 粘度  ○ 温度上昇に伴い，粘度は低下する • アンドレードの式 ○ 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 比粘度　　　sp 還元粘度 red 固有粘度[] (L/g) 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非常に高粘度のものの測定ニュートン流体非ニュートン流体

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