삼투압의 원리

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삼투압의 원리(식물이 뿌리에서 물을 흡수하는 법)

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우리는 일상 생활 속에서 알게 모르게 삼투현상을 많이 접한다. 식물이 뿌리에서 물을 흡수할 때라든지, 배추김치를 만들 때, 또 목욕탕에서 오래 있으면 손발의 피부가 쭈글쭈글해지는 현상 등이 이런 경우이다. 그렇다면 이렇게 주변에서 흔히 찾아볼 수 있는 삼투현상은 어떻게 일어나는 것일까?

저농도 용액에서 고농도 용액으로

반투과성막은 용액 속에 들어있는 용질은 입자가 커서 통과시키지 못하고 용매분자만 통과시키는 막이다. 이 막을 경계로 한쪽에는 순수한 용매를, 다른 한쪽에는 용액을 두면 용매들이 양방향으로 서로 이동하게 된다. 그러나 처음에는 순수한 용매 쪽에 있는 용매가 용액 쪽으로 더 빠르게 이동하여 용액 쪽의 높이가 더 증가한다. 왜냐하면 자연계에서는 농도 차이가 줄어드는 방향으로 용매들이 움직이려고 하기 때문이다. 따라서 시간이 지나서 관에 있는 용액의 높이가 어느 정도 증가한 후에는 그 결과로 생기는 압력 때문에 용액 쪽으로 이동하는 속도가 점차 느려지게 되어 결국에는 양방향으로 용매가 이동하는 속도가 같아지게 된다. 이 점에서 용액의 높이는 더 이상 변하지 않게 되는 것이다. 이때 차이가 난 수압이 삼투압이며, 용매가 반투과성막을 통해 이동하는 현상이 삼투현상이다. 이것을 달리 표현하자면, 삼투현상은 순수한 용매를 포함한 저농도 용액에서 고농도 용액 쪽으로 반투과성막을 경계로 용매(물)가 이동하는 현상이며 삼투압은 이때 용매가 이동하려는 힘이라고도 할 수 있다.

삼투현상과 삼투압.

 

삼투압 현상은 1867년 독일의 화학자 트라우베(Moritz Traube)가 최초로 발견하였고 1877년 페퍼(Wilhelm Friedrich Philipp Pfeffer)가 인공반투과성막으로 삼투압을 측정하며 정량적(定量的) 연구에 의한 삼투압이론을 확립하였다. 페퍼는 식물세포에 어떻게 물이 들어갈까를 연구하던 중에 세포막을 이용한 설탕용액의 삼투현상을 측정하고, 삼투압이 온도에 비례한다는 것도 발견하였다. 그 후 1886년 J. H. 반트호프(Jacobus Henricus van't Hoff)는 실험을 통하여 용액에서의 삼투압은 용매와 용질의 종류와 상관없이 용액의 농도와 절대온도에 비례한다는 사실을 밝혀냈는데 이를 반트호프 법칙 이라고 한다. 이러한 삼투압을 이용하면 용질의 분자량을 정하거나 분자량을 아는 물질의 용액 속에서의 이온화도를 구할 수 있다.

고장액, 저장액, 등장액

용액을 서로 비교했을 때 같은 삼투압을 가진 용액을 등장액이라고 하고 상대적으로 낮은 삼투압을 가진 용액은 저장액, 더 높은 삼투압을 가진 용액은 고장액이라고 한다. 사람의 혈액과 비교했을 때 생리식염수와 링거액은 대표적인 등장액이다.  생리식염수란 동물의 혈액 속에 있는 염분의 농도와 같게 만든 액체로 증류수에 염화나트륨을 섞어 만든 것이다. 또한 링거액은 생리식염수에 혈액성분과 가까운 여러 요소 즉 염화칼륨, 염화칼슘 등을 녹여서 만든 것이다.

주변에서 볼 수 있는 삼투현상

대부분의 생물체를 이루고 있는 막들은 거의 모두가 반투과성막으로 되어 있다. 식물이 뿌리에서 물을 흡수할 때 뿌리세포와 흙 속의 물을 비교하면 흙 속의 물은 저농도이고 뿌리세포 속은 상대적으로 고농도이다. 이 때 농도평형을 이루기 위해 흙 속에 있는 저농도의 수분이 고농도의 뿌리세포 속으로 세포막을 통해 스며들게 된다. 배추김치를 만들 때도 소금물을 만든 후, 배추를 그 물에 담그면 소금의 입장에서 보면 배추는 저농도이고 소금물은 고농도이다. 이 때 농도평형을 이루기 위해 배추세포의 물이 배추의 세포막 밖으로 빠져 나와서 배추의 숨이 죽게 되는 것이다. 그리고, 고농도용액에 들어있는 물을 저농도용액 쪽으로 빼내기 위해 삼투압 이상의 압력을 가해주는 것을 역삼투압이라고 하는데 이것은 오염된 물에서 순도가 높은 물을 뽑아낼 때, 혹은 바닷물을 담수로 만들 때 사용하는 방법이다.

흙 속에 있는 저농도의 수분이 고농도의 뿌리세포 속으로 스며들어 식물이 물을 흡수하게 된다.<출처: NGD>

참고문헌: 송은영, [반트호프가 들려주는 삼투압 이야기], (자음과 모음, 2008); 백운기, [전기화학],(청문각, 2001); IRA N.LEVINE, Ira N. Levine, [물리화학], 나상무 역, (자유아카데미, 1998); 송호봉, [생활과 화학], (탐구당, 2001)