삼투
滲透[1] / Osmosis
서로 다른 농도를 가진 두 용액 사이를 용매는 통과시키나 용질을 통과시키지 않는 반투과성막으로 막아놓았을 때, 농도가 '''낮은 쪽'''에서 '''높은 쪽'''으로 '''용매'''[2]가 이동하는 현상을 '''삼투 현상'''이라고 하는데 이 현상으로 생기는 압력이 바로 '''삼투압'''.
액체들의 농도 차이가 줄어드는 것은 결과이고, 삼투 현상이 일어나는 원인은 액체 간 압력 차이이다.
용매 분자들은 크기가 작아서 반투막을 통과할 수 있다. 그리고 용질 분자들은 아무리 크기가 작다고 하더라도 용매분자들이 녹이기 위해 주위를 둘러싸기 때문에 크기가 커질 수밖에 없다. 가령 물을 예시로 들자면 물 분자들은 NaCl이나 설탕 분자들을 '''수화'''시키기 위해 그들을 둘러싼다. 그렇기 때문에 아무리 용질의 분자 크기가 작아도 반투막을 통과하기 어려운 것이다.
용매 분자들은 반투막을 통과할 뿐만아니라 반투막과 충돌을 한다. 여기서 쉬운 설명을 위해 용매를 물, 용질을 설탕으로 가정하자. 수용액에서는 물 분자들이 설탕을 수화 시키기 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, 삼투현상에서 생기는 높이차 h는 '''압력차이 때문에 생기는 것'''이다.
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'''이 일어나기도 한다.[3]
Osmotic Pressure
앞서 말하였듯, 삼투 현상으로 인해 생긴 압력이기에 반트 호프가 세운 식은 다음과 같다.
$$\pi = \dfrac{nRT}V = MRT$$
($$\pi$$ = 삼투압[4], $$n$$ = 몰수[5], $$R$$ = 기체 상수, $$T$$ = 절대 온도, $$V$$ = 부피, $$M$$ = 몰농도)
이때 용액은 이상 용액[6]이라는 가정이 필요하며, 이상 기체의 상태방정식 [math(PV=nRT)]와 유사하지만 물리화학의 혼합화학퍼텐셜을 이용해서 독립적으로 유도된다.[7]
Passive Transportation
세포 내외에서 외부 에너지의 개입없이 농도 차이 만으로 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.
1. 개요
서로 다른 농도를 가진 두 용액 사이를 용매는 통과시키나 용질을 통과시키지 않는 반투과성막으로 막아놓았을 때, 농도가 '''낮은 쪽'''에서 '''높은 쪽'''으로 '''용매'''[2]가 이동하는 현상을 '''삼투 현상'''이라고 하는데 이 현상으로 생기는 압력이 바로 '''삼투압'''.
2. 특징
액체들의 농도 차이가 줄어드는 것은 결과이고, 삼투 현상이 일어나는 원인은 액체 간 압력 차이이다.
용매 분자들은 크기가 작아서 반투막을 통과할 수 있다. 그리고 용질 분자들은 아무리 크기가 작다고 하더라도 용매분자들이 녹이기 위해 주위를 둘러싸기 때문에 크기가 커질 수밖에 없다. 가령 물을 예시로 들자면 물 분자들은 NaCl이나 설탕 분자들을 '''수화'''시키기 위해 그들을 둘러싼다. 그렇기 때문에 아무리 용질의 분자 크기가 작아도 반투막을 통과하기 어려운 것이다.
용매 분자들은 반투막을 통과할 뿐만아니라 반투막과 충돌을 한다. 여기서 쉬운 설명을 위해 용매를 물, 용질을 설탕으로 가정하자. 수용액에서는 물 분자들이 설탕을 수화 시키기 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, 삼투현상에서 생기는 높이차 h는 '''압력차이 때문에 생기는 것'''이다.
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'''이 일어나기도 한다.[3]
3. 공식
Osmotic Pressure
앞서 말하였듯, 삼투 현상으로 인해 생긴 압력이기에 반트 호프가 세운 식은 다음과 같다.
$$\pi = \dfrac{nRT}V = MRT$$
($$\pi$$ = 삼투압[4], $$n$$ = 몰수[5], $$R$$ = 기체 상수, $$T$$ = 절대 온도, $$V$$ = 부피, $$M$$ = 몰농도)
이때 용액은 이상 용액[6]이라는 가정이 필요하며, 이상 기체의 상태방정식 [math(PV=nRT)]와 유사하지만 물리화학의 혼합화학퍼텐셜을 이용해서 독립적으로 유도된다.[7]
4. 삼투의 수동 수송
Passive Transportation
세포 내외에서 외부 에너지의 개입없이 농도 차이 만으로 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.
5. 삼투현상의 예
- 달팽이에게 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.[9]
- 동물 소화기관도 마찬가지. 소화된 음식에서 물과 함께 그 속에 있는 영양분이 삼투압을 통해 소화관을 싸고 있는 혈관으로 이동하는 것. 이 기전이 깨졌을 때의 자세한 내용은 물중독 문서 참조.
- 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 삼투 현상을 견디지 못하고 밖으로 나온다.
- 입안에 사탕을 넣고 있으면 입안의 수분이 사탕으로 빠져나가 거칠어진다.
- 바다에 표류할때 수분 공급처가 없다고 바닷물을 마시면 안된다. 삼투 현상으로 탈수가 과속화 된다. 바닷물의 무기 염류 농도가 우리 몸의 체내 무기 염류 농도의 세 배가 넘는다.[10][11]
6. 삼투압과 관련된 고등 교육 과정
[1] 일본에서는 滲이 상용한자가 아니기 때문에 발음이 같은 침투(浸透)라고 쓴다.[2] 생물학에선 일반적으로 물을 가리킨다.[3] 주로 바닷물의 담수화나 정수기의 정수 과정에서 이 현상을 이용한다.[4] 원주율과 기호만 같다. P에 대응하는 그리스 문자로 사용한 것.[5] 이때, 용액에 실제로 존재하는 형태의 물질량이 기준이다. 즉, 염화나트륨처럼 수용액에서 거의 100% 이온화되는 물질의 경우, 고체 상태에서 $$\rm1\,mol$$이었다 할지라도 반트 호프의 식에서는 $$\bf2\,mol$$로 계산해야 한다.[6] 용질과 용질 사이, 용매와 용매 사이, 용매와 용질 사이의 인력이 동일한 용액.[7] 사실 삼투압도 엄연히 압력이기에, 상태방정식 [math(PV=nRT)]과 유사할 수 밖에 없다. [8] 낙지 속의 수분이 전부 빠져나가서 낙지 부피가 확 줄어든다.[9] 이유는 당연히 적혈구가 저렇게 박살나면 산소 공급을 못 받으니까...[10] 바닷물 약 3.5%, 우리의 신체는 0.9%정도 이다.[11] 2020년 초에 중국 원양어선에 승선한 인도네시아 선원들의 건강 상태에 문제가 생겼고, 이로 인해 일부 선원들이 사망한 이유도 바닷물을 정수한 물을 마시면서 생긴 삼투 현상 때문이다. 그 외에도 깨끗한 물일리는 없으니 다른 문제까지 겹쳤다. 영상