삼투(滲透, osmosis)
1. 삼투현상
① 삼투 : 반투막을 사이에 두고 있을 때 농도가 낮은 용액에서 농도가 높은 용액으로 용매 분자가 이동하는 현상
② 반투막 : 물과 같은 작은 용매 분자는 자유롭게 통과시키지만 설탕과 같은 큰 용질 분자는 통과시키지 못하는 막
예) 셀로판 종이, 세포막, 달걀 속껍질 등..
③ 삼투현상의 예
- 김장을 할 때 배추를 소금에 절이면 배추의 수분이 빠져나가 부피가 줄어들면서 쭈그러듬
- 진한 설탕물을 적혈구를 담가 두면 쭈글러 들고, 물에 담가 두면 부풀어 터진다.
2. 삼투압
① 삼투압 : 삼투가 일어날 때 반투막에 작용하는 압력
| (가) 반투막을 경계로 물과 설탕물을 같은 높이만큼 넣는다. (나) 반투막을 경계로 물에서 설탕물 쪽으로 이동하는 물 분자 수가 설탕물에서 물 쪽으로 이동하는 물분자 수 보다 많으므로 물과 용액 h만큼의 높이 차가 생기고, 반투막의 용액의 높이 차 h만큼 해당하는 압력을 가한다. (다) 양쪽의 액체 높이를 같게 하기 위해 용액에 가하는 압력의 크기가 삼투압이다. |
② 삼투압을 일정량의 용액 속에 녹아 있는 용질의 입자 수에 영향을 받는다.
<단, 용매나 용질의 종류에 관계없음>
③ 역삼투압 : 농도가 진한 용액 쪽에 삼투압보다 더 큰 압력을 가했을 때 반투막을 통하여 농도가 진한 쪽에서 농도가 묽은 쪽으로 용매가 이동하는 현상
예) 역삼투 원리를 이용한 정수기
3. 반트 호프 법칙
① 반트 호프 법칙 : 비휘발성, 비전해질 용질이 녹아 있는 묽은 용액의 삼투압은 용매나 용질의 종류에 관계없이 용액의 몰 농도와 절대 온도에 비례
| π = CRT (π : 삼투압, C : 몰 농도, R : 기체상수, T : 절대온도) |
② 삼투압을 측정하여 반트 호프 법칙을 이용하면 고분자 물질의 분자량을 측정할 수 있다.
| ● 분자량이 M인 비휘발성, 비전해질 용질 Wg에 녹아 있는 용액 V L속에 용질이 n mol 들어 있을 때 M = WRT/πV (π : 삼투압, R : 기체상수, T : 절대온도) |
삼투(滲透, osmosis)
서로 다른 농도를 가진 두 용액 사이에 용매[1]를 통과시키거나 용질을 통과시키지 않는 반투과성막으로 막아놓았을 때, 농도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 용매가 이동하는 현상이다. 삼투 현상으로 생기는 압력을 삼투압(滲透壓, osmotic pressure)이라고 한다.
고대 메소포타미아 시대부터 삼투압이 존재하는 것을 알고 있었지만 공식적으로 문서화한 것은 1748년 프랑스 성직자, 물리학자 장 앙투안 놀레(Jean Antoine Nollet, 1700~1770)이다.
원리
액체들의 농도 차이가 줄어드는 것이 결과이며, 삼투 현상이 일어나는 원인은 액체 간 압력 차이이다.
용매 분자들은 크기가 작아서 반투막을 통과할 수 있다. 그리고 용질 분자들은 아무리 크기가 작다고 하더라도 용매 분자들이 용질 분자들을 녹이기 위해 주위를 둘러싸기 때문에 크기가 커질 수밖에 없다. 물을 예시로 들자면, 물 분자들은 소금이나 설탕 분자들을 수화시키기 위해 그들을 둘러싼다. 그렇기 때문에 아무리 용질의 분자 크기가 작아도 반투막을 통과하기 어려운 것이다.
용매 분자들은 반투막을 통과할 뿐만 아니라 반투막과 충돌을 한다. 여기서 쉬운 설명을 위해 용매를 물, 용질을 설탕으로 가정하자. 수용액에서는 물 분자들이 설탕을 수화시키기 위해서 둘러싸고 있다. 그렇기 때문에 농도가 높을수록 녹아있는 설탕의 분자 수가 많아, 그것들을 둘러싸는데 소진되는 물 분자 수가 더 많아질 것이다. 따라서 농도가 높을수록 자유로워지는 물 분자의 개수가 줄어들고, 반투막에 충돌하는 횟수도 줄어들어 상대적인 압력도 줄어들 것이다. 즉, 삼투 현상에서 생기는 높이차 h는 압력 차이 때문에 생기는 것이다.
그렇기 때문에 삼투 현상은 아무런 에너지를 투입하지 않아도 농도의 차이만 있다면 화학적으로 안정적인 상태에서 저절로 일어나는 현상이다. 용액에 삼투압보다 큰 에너지를 투입하면, 용매가 높은 농도에서 낮은 농도 쪽으로 이동하게 되는 역삼투 현상(Reverse Osmosis)이 일어나기도 한다. 주로 해수 담수화나 정수기의 정수 과정에서 이 현상을 이용한다. 생물학에서 말하는 능동수송 역시 같은 원리.
분자생물학·생화학
Molecular Biology · Biochemistry
passive transportation
세포 내외에서 외부 에너지의 개입없이 농도 차이만으로 물질이 이동하는 체내 삼투 현상이다. 보통 특정 물질의 농도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 일어나지만, 물질이 갖고 있는 전하의 차이로 인한 전위차로 일어나기도 한다. 전자는 주로 세포막을 통한 물질의 이동, 후자는 주로 ATP의 합성시에 일어난다.
수동수송과 반대로 에너지 투입 등으로, 농도 차이를 극복하여 체내 물질이 이동되는 현상은 능동수송이라고 한다. 능동 수송의 예로 TCA 회로가 있다.
삼투현상의 예
김장할 때, 배추를 소금에 절여놓으면 배추 안에 있던 수분이 소금이 있는 바깥쪽으로 빠져나온다.
달팽이나 거머리에게 소금을 뿌리면 삼투 현상에 의해 몸에 있던 수분이 밖으로 다 빠져나와 죽게 된다.
적혈구를 농도가 진한 고장액(hypertonic)에 담가 놓으면 수분이 밖으로 빠져나가 쪼그라든다. 반대로 농도가 묽은 저장액(hypotonic)에 담가 놓으면 수분이 적혈구로 들어와 결국 터지는 용혈 현상이 일어난다. 따라서 용액을 혈관에 주사할 때는 반드시 등장액(isotonic)을 사용해야만 한다. 농도가 혈액보다 진하거나 묽으면 조직이 괴사할 수 있다.
동물 소화기관도 마찬가지. 소화된 음식에서 물과 함께 그 속에 있는 영양분이 삼투압을 통해 소화관을 싸고 있는 혈관으로 이동하는 것이다.
물중독은 물을 급하게 많이 마시게 될 경우 혈액이 희석되고 신체의 수분이 오히려 흡수되지 않고 고여서 뇌부종 등의 합병증까지 유발하는 질환이다.
투석은 낮은 투석액의 농도로 삼투에 의해 피 속의 수분이 빠져나가지 않도록 투석액의 농도를 조절해야한다.
염분이 많은 음식을 먹고 나서 갈증이 느껴지는 이유가 삼투 현상 때문이다.
양서류가 바닷물에 입수하면 몸이 쪼그라들어 죽는다. 양서류 체내 농도보다 바닷물의 농도가 훨씬 높기 때문에 체내 수분 입자가 피부를 통해 전부 빠져나가기 때문이다. 위의 적혈구와 비슷한 원리. 그런데 올챙이 시절을 바다에서 지내는 개구리가 딱 한 종류 있다고 한다.
맛조개가 서식하는 구멍에 소금을 투입하면 맛조개가 삼투 현상을 견디지 못하고 밖으로 나온다.
입 안에 사탕을 넣고 있으면 입 안의 수분이 사탕으로 빠져나가 입 안 점막이 거칠어진다.
바다에 표류할 때 수분 공급처가 없다고 바닷물을 마시면 안된다. 삼투 현상으로 오히려 더 탈수가 진행된다. 바닷물의 무기 염류 농도가 우리 몸의 체내 무기 염류 농도의 세 배가 넘기 때문.
식물이 뿌리를 사용해서 물을 흡수하는 것은 삼투 현상과 모세관 현상을 모두 이용하지만 기본적으로는 삼투를 이용한다. 삼투 현상은 온도가 높을수록 활발하게 일어나며 그래서 겨울에는 뿌리로 흡수하는 수분의 양이 줄어든다. 온대 기후의 낙엽수가 가을에 단풍을 만들고 잎을 떨어뜨리는 것은 온도가 낮아짐으로 인해 삼투가 활발하게 일어나지 못하므로 그에 따라 잎에서의 증산도 줄이기 위한 것이다.