武蔵野個別指導塾の特徴

高校生物浸透と半透膜—溶質の透過条件から水の移動方向を判断する｜武蔵野個別指導塾

公開 2026.11.13更新 2026.11.13武蔵野個別指導塾の特徴生物を掘り下げる細胞と分子

水と溶質の通過条件を分け、体積変化と圧力差がある平衡を考える鍵は浸透です。

要点（結論から）

膜ごとに、水と各溶質の透過条件を分けます。
非透過性溶質の各室の量は保存され、濃度は体積で変わります。
圧力が等しい場合の水の平衡と、圧力差を伴う平衡を区別します。

膜を通るものから考える

よくあるのは、透過できる溶質まで永続的な濃度差に含めるという場面です。左右の溶液の濃さを見て、濃い側に水が移ると覚えていても、その濃さを作っている粒子が膜を通るかどうかで、その後の変化は異なります。水だけが通る模型と、水も溶質も通る模型を同じ図として扱うと、最終状態の予測がずれます。

問いの型は、膜を通れる粒子から初めの水の移動方向を選ぶもの、溶質量の保存から平衡後の体積を求めるもの、液面差が生じた後にも濃度が等しいとは限らない理由を説明するものです。まず膜の性質と装置の条件を書き出し、どの時点を問われているかを区別しましょう。ここでは浸透圧の公式は導かず、濃度、保存、圧力の釣り合いを使います。

水が移るための条件

浸透は、選択的に物質を通す膜を隔てて水が正味移動する現象です。教科書で用いる半透膜の基本模型は、水を通す一方で対象の溶質を通さない膜です。実際にどの物質をどれほど通すかは膜ごとに異なるため、問題では個々の透過条件を先に確かめます。溶質は溶けている物質、溶媒はそれを溶かしている水などの物質です。

図1のように、同じ圧力で水を通し溶質を通さない膜を隔てたとき、非透過性溶質の粒子濃度が高い側へ水が正味移動します。矢印は水の正味移動を示す模式図で、個々の水分子が逆方向へ動かないという意味ではありません。溶質粒子は膜を越えられず、それぞれの側に残ります。

図1の左右の区画は膜で区切られ、点は非透過性溶質を表します。水が右へ移れば右の体積は増え、右の溶質の濃度は下がります。同時に左の体積は減り、左の濃度は上がります。膜を通らない溶質の物質量はそれぞれの区画で保存されますが、濃度は体積の変化によって変わります。

粒子数の濃度を比べる際、溶質の種類だけでなく、水中で何個の粒子になるかも問題条件に従います。以下の計算では溶質は水中で分かれず、反応もせず、体積は加算できるという教材上の条件を置きます。複数の非透過性溶質があるなら、条件に応じて粒子の濃度を合計します。質量の濃さをそのまま粒子の濃度として比べることはできません。

一方、膜を通る溶質には、それ自身が濃度差に応じて移動する経路があります。その濃度差を永久に固定された差として扱うことはできません。ただし溶質の透過が遅ければ、途中の水の移動に影響することがあります。透過性の有無と速さ、初めの状態と十分時間が経過した状態を分ける必要があります。

基本例題：同じ圧力での体積

水だけを通す膜で仕切られた左右の室があります。左には分かれない溶質Aが2 mmol、水が入った溶液が100 mL、右にはAが6 mmol、溶液が100 mLあります。膜を通る水以外の出入りはなく、左右の圧力は常に等しいとします。溶液の体積は加算でき、十分時間が経つと水の正味移動が止まります。初めの水の正味移動方向と、平衡時の左右の体積を整数のmLで求めてください。数値は教材の条件です。

図2のように、まず各室のAの量と体積を対応させます。初濃度は左が2/100、右が6/100 mmol/mLですから、同じ圧力のもとでは水は初め右へ正味移動します。左右のAは膜を通らないので、移動後も左に2 mmol、右に6 mmolが残ります。

平衡時は圧力が等しいという条件からAの濃度も等しくなります。左の体積をx mLとすれば、水の出入りが外部にないので右は200 − x mLです。よって次のように解きます。

(2)/(x) = (6)/(200 - x)
2・(200 - x) = 6・x
400 = 8・x
x = 50
200 - x = 150

答えは左50 mL、右150 mLです。図2の右向きの矢印と、右の体積が増える結果は一致します。代入すると左は2/50、右は6/150で、ともに0.04 mmol/mLです。50 + 150は200 mLであり、各室の溶質量も初めの値に戻るため、濃度と保存の両方を満たします。

別解では、平衡時に濃度が等しいので体積の比がAの量の比2:6、すなわち1:3になります。全体200 mLを4等分し、左に1部分、右に3部分を割り当てます。この比の方法も圧力が等しく濃度が等しいという条件に依存します。液面差による圧力差が残る装置には、そのまま適用できません。

標準例題：通る溶質を見分ける

同じ圧力の左右の室を、充分な時間に水と溶質Bは通すが、溶質Aは通さない膜で仕切ります。初めは各室100 mLで、左にAが4 mmol、Bが10 mmol、右にAが8 mmol、Bが2 mmolあります。AもBも水中で分かれず、反応や外への出入りはありません。最終的にBの濃度は左右で等しく、水の正味移動も止まり、体積は加算できるとします。平衡時の左右の体積とBの各室の量を求め、小数第1位まで示してください。

初めの全粒子濃度は左が14/100、右が10/100 mmol/mLです。したがって開始直後の方向は、通過の速さなどを指定しないこの条件からは決めません。Bが移動する途中の水の動きも、最終状態の計算とは分けて扱います。

最終的にはBの濃度が左右で等しいため、同じ圧力で水が平衡にあるにはAの濃度も等しくなります。左右に残るAは4 mmolと8 mmolなので、体積比は1:2です。全体200 mLをこの比に分けると、左は200/3 mL、右は400/3 mL、指定の形では66.7 mLと133.3 mLです。

Bの総量は12 mmolで、全体200 mLに均一な濃度として分布します。したがって左のBは12・(1/3) = 4.0 mmol、右は12・(2/3) = 8.0 mmolです。丸める前の体積で戻すとAの濃度は両室とも0.06 mmol/mL、Bは両室とも0.06 mmol/mLです。Bの量の合計は12 mmol、体積の合計は200 mLです。丸めた体積を途中計算に使うと小さなずれが出るので、最後に丸めます。

「初めに左の全粒子濃度が高いから、平衡でも必ず左が大きい」という答えは誤りです。Bは膜を通れるため、初めの左右のBの量を各室に固定して最終体積の比を作ることはできません。逆にBが通らない膜なら、各室のAとBの合計量をそれぞれ保存して計算する条件になります。

発展例題：圧力が濃度差を支える

縦の管につながる2室を、水は通すが溶質Cは通さない膜で仕切ります。初めは左右とも100 mLで、左にCが3 mmol、右にCが9 mmolあります。右へ水が移って液面が上がり、圧力差が生じます。ある時点で左80 mL、右120 mLとなり、水の正味移動が止まったとします。各室の濃度を小数第4位までのmmol/mLで求め、濃度が等しくない理由を説明してください。Cは分かれず、両室の量は保存されます。

左は3/80 = 0.0375 mmol/mL、右は9/120 = 0.0750 mmol/mLです。体積は80 + 120 = 200 mL、濃度に各体積を掛けるとそれぞれ3 mmolと9 mmolに戻ります。右の濃度は左の2倍ですが、右側の高い液面に伴う圧力差が水の移動に逆向きに働くため、与えられた停止状態と矛盾しません。

ここで与えた停止体積は教材条件であり、圧力差を計算して予測した値ではありません。濃度差だけから停止する液面の高さを求めることはできません。また、正味移動が止まっても、水分子が両方向へ移動することはあります。正味の量が釣り合うことと分子運動が止まることは別です。

浸透圧は、溶液側に圧力をかけて浸透による水の正味移動を止めるときの圧力差として考えられます。圧力差のない条件での濃度比較と、圧力差が発達した停止状態を混同しないための言葉です。細胞でも膜の内外の濃度だけでなく、細胞壁などが及ぼす力や膜の透過性を条件として考えます。

誤答を直す：途中と最後を分ける

「水も溶質Dも通る膜なら、Dの初めの濃度差がいつまでも水を引く」という答案を考えます。図3のように、Dは膜を越えて分布を変えるので、初めの差を固定する根拠がありません。矢印は水とDの移動可能な向きを表します。

図3でDの通過が十分速く、他に差を保つ条件もないなら、その濃度差は解消へ向かいます。直す答案は「Dも移動できるため、初めのDの濃度差を永続的な浸透の原因とは扱えない」です。膜がDを通さない条件なら、Dの各室の量が固定され、体積に応じた濃度差が残る場合があります。

ただし「通るなら最初からDの濃度を無視する」も正しくありません。水とDの透過速度が異なれば、Dが均一になる前に水の正味移動が起きる場合があります。さらに圧力差や他の非透過性溶質があれば、停止状態をDだけから決めることはできません。何が通り、何が保存され、いつを調べるのかを答案に書き添えます。

実験結果を読むときの対照と失敗

水を通し特定の溶質を通さない膜袋の体積変化を調べるとします。変える条件は外液の非透過性溶質の濃度、測る量は一定時間後の袋の質量変化とします。袋の材質と面積、初めの内液の量と濃度、温度、浸す時間、外液の量、表面の水の拭き方はそろえます。作業は学校の指導の下で行い、測定値は水の出入りを考える手掛かりとして扱います。

内外を同じ溶液にした対照も用意します。対照で質量が大きく変われば、水の正味移動以外に表面に残った液や漏れなどを疑います。対照が安定していて、外液濃度に応じた変化が繰り返し見られれば、条件と質量変化の関係を支持しますが、質量だけで膜の透過性を完全に証明したことにはなりません。

袋に穴がある場合は、水だけでなく溶質も漏れるため、非透過性溶質量の保存を前提とした計算は使えません。浸す前後に漏れを点検し、別の試料でも同じ傾向が出るか調べます。膜が想定より溶質を通す場合も、時間とともに濃度差が変化します。外液側の溶質を別に測る対照を加えると、漏れや透過の可能性を検討できます。

測定が予定時間より早く終わった場合、質量が変化中か平衡後かを区別できません。時刻を記録し、複数の時点で測った別の試料と比べます。秤の表示が不安定なら、器具を点検し、同じ条件で再測定します。数字を補って予定どおりの結果にするのではなく、使える観察と判定できない部分を分けます。

グラフでは横軸を外液濃度、縦軸を質量変化とし、それぞれの単位を添えます。開始時の質量が異なる袋を比べるなら、質量変化を開始時の質量で割った割合も示します。測定点のばらつきや対照の変化を見ずに、線が横軸を横切る点を正確な等張条件と断定しません。材料や時間の条件を変えれば、見かけの交点が変わる可能性もあります。

練習問題

以下はいずれも自作の教材条件です。溶質は水中で分かれず反応しないものとし、数値計算の答えは指定の形にします。

同じ圧力の左右の室を水だけ通す膜で仕切ります。左右それぞれ100 mLで、非透過性溶質Eは左1 mmol、右4 mmolです。初めの水の正味移動方向を答えてください。
水だけ通す膜を隔てた左右に、非透過性溶質Fがそれぞれ3 mmolと7 mmolあります。全体の溶液は250 mL、圧力は等しく、水の正味移動が止まったとします。左右の体積を整数のmLで求めてください。
水と溶質Gを通す膜を隔て、同じ圧力の両室にGを置きます。ほかに溶質はなく、十分時間が経過してGの濃度が等しくなりました。最初のGの濃度差を永続する水の正味移動の根拠にできるか、理由とともに答えてください。
水だけ通す膜で仕切った装置で、圧力差を伴う停止時の左は60 mLに溶質Hが3 mmol、右は140 mLにHが14 mmolでした。各濃度を小数第2位のmmol/mLで求め、濃度が異なる停止状態の理由を述べてください。
同じ膜袋を用いる比較で、外液の濃度を変えたところ袋の質量が減りました。ただし同じ内外液を使う対照の袋も同程度に減りました。この結果から外液濃度の効果を断定できるか、追加点検を1つ挙げて答えてください。

練習の答えと道筋

右です。初濃度は左0.01、右0.04 mmol/mLです。水は圧力が等しい初めに、非透過性溶質の粒子濃度が高い右へ正味移動します。左の量1 mmolと右の量4 mmolは膜を越えず、方向判定に使った初めの濃度へ戻せます。
左75 mL、右175 mLです。濃度が等しいので体積比は3:7、250 mLのうち左は3/10、右は7/10です。3/75と7/175はいずれも0.04 mmol/mL、75 + 175は250 mLで条件を満たします。
根拠にできません。Gは膜を通り、十分時間が経過した条件では左右のGの濃度が等しいからです。問題は初めの動きを否定していません。均一になった時点に答えを戻し、初期差を固定していないかを点検します。
左0.05 mmol/mL、右0.10 mmol/mLです。3/60と14/140から求めます。左は0.05・60 = 3 mmol、右は0.10・140 = 14 mmolに戻ります。圧力差が濃度差に伴う水の移動と釣り合えば、濃度が異なっていても正味移動は止まりえます。
断定できません。対照にも同程度の減少があるため、外液濃度以外の原因を区別できないからです。袋の漏れを点検し、表面の液の扱いと測定時間をそろえて再測定します。対照の条件へ答えを戻すと、濃度差がない場合にも減少が起きた事実を説明する必要があります。