化学の質問への回答者求む！
興心です。先日、京大の化学の過去問(2011年だったと思います)を解いていた生徒から質問をされて、しっかりと理解はしていない部分だったので答えに困りました。どんな質問だったかというと「未知の物質の分子量を推定する際に、まず物質量(mol)を測定することになるが、高分子の場合は浸透圧で、分子量が低い場合は凝固点降下で測定すると解説に書かれている。なぜ違った方法を採用するのか？」というものでした。理由がわかる方はコメントなどで教えていただけると、とても助かります。よろしくお願いいたします。
しかしながら、一応質問されたからには何かしらの説明をしないわけにはいきません。そこで、なんとか編み出した回答を一応載せておきます。
浸透圧とは水分子のみを通す特殊な膜を隔てて濃度が異なる溶液が存在するとき、濃度が低い溶液から高い溶液へと水が移動する現象に対し、それを押し留めるために必要な圧力のことを意味していたと理解しています。水に異物が含まれるとき、膜に衝突する水分子の割合が純粋な水と比較して下がるので、膜を通過しようとする水の量が減少することによって起きているといえます。この性質を利用して圧力を測定することで水に含まれる異物(溶質)の量が推測できるというわけです。
凝固点降下とは水分子に異物が含まれるときに水分子が整列して結晶化する(つまり氷になる)のが妨げられるので、より低い温度にならないと凍らない現象を指すと理解しています。つまり溶媒(水)に含まれる異物(溶質)の物質量が増えると凝固点が下がるので、凝固点を測定することで逆に溶質の濃度が実験的にわかるという話です。
高分子化合物はたくさんの単量体が連なってできているので、そもそも物質として大きく、溶媒と溶質の境界が面となって生じてしまうことが考えられます。そのため、高分子化合物の物質量を凝固点降下によって測定しようとすると、水分子の整列のしやすさに与える影響が減少し、正確に物質量を測定できないから、という理由が思いつき、そう説明しました。
しかしながら、浸透圧で物質量を測定するときに、分子のサイズが膜への衝突のしやすさに影響を与えたりはしないのかと聞かれると答えに困ってしまいます。
突然ですが、ここで僕の思い出話をしながら、この説明を少し補強してみようと思います。具体的にいうと「すべての物質の物質量は凝固点降下で調べたいが、高分子化合物の場合は誤差が大きくなりすぎるため、浸透圧で測るしかない」のではないかと考えたという話です。
僕は大学院で生物学の実験をしていましたが、あるときRNAを合成する実験をすることになりました。この合成したRNAを細胞内に注入して遺伝子を破壊するのが目的でしたが、ご存知の通り(?)、RNAは非常に分解しやすい物質なので合成した後の精製にはかなり気を使います。また、自然界にはRNase(RNAの分解を助ける)が至る所に存在しているので、実験器具も専用のものを使用したりします。精製ではカラムと呼ばれるフィルターのついた小さな容器を使用しました。1回目の実験では担当教官に教えてもらいながら精製を行いましたが、2回目はノートを見ながら恐る恐る実験をしたことを覚えています。慣れてくると欲が出るもので、一気に大量に合成したくなり、複数のカラムを並べながら意気揚々と実験を行っていたら、担当教官が見ていたようで「このカラム1つでいくらするか知ってる？〜円もする。もっと使う数を減らしなさい。」と怒られました。金額は忘れてしまいましたが、とても印象に残る出来事でした。所属していた研究室は研究資金が豊富な方ではありましたが、それでも使用する器具は節約することが求められました(博士課程には行かなかったので、チップは最後まで手詰めでした)。いろいろな教訓が得られた時期だったように思います。
話を戻すことにしましょう。ここからは妄想でしかないので、正しいかは分かりませんが、浸透圧を測る際に用いる特殊な膜は実験を行うごとに交換する必要があるのではないかと考えています(繊細そうですし)。そうでなくても何回か使用すると交換しないといけない可能性はありそうです。つまり実験を行うごとに費用がかかるわけです。一方、凝固点降下では何かが溶けた溶液を冷やしながら温度を測定するだけで、入れている容器さえ洗えば何度でも同じ実験ができることが考えられます。つまり、先ほど書いたようにコストの面から凝固点降下が実験として好まれるという理由でしかないのではないかと思えてきます。
入試問題を作成しているのは大学の教員なので、自分が実験を行う場合に選択する方法をそのまま出題することが考えられます。そういった面では、実験にかかるコストは研究費が限られている大学教員にとっては一大事なので、そういった出題になったことも十分あり得るのではないでしょうか。この考えが合っているのか少し気になるので、詳しい方がおられたらぜひ教えてください。