1. 개요
삼투(滲透, osmosis)는 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.[2]고대 메소포타미아 시대부터 삼투압이 존재하는 것을 알고 있었지만 공식적으로 문서화한 것은 1748년 프랑스 성직자, 물리학자 장 앙투안 놀레(Jean Antoine Nollet, 1700~1770)이다.[3]
2. 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 수 밖에 없다. 가령 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 바닷물의 담수화나 정수기의 정수 과정에서 이 현상을 이용한다. 생물학에서 말하는 능동수송 역시 같은 원리.
3. 삼투압 공식
앞서 서술했듯, 삼투 현상으로 인해 생긴 압력이기에 반트 호프가 세운 식은 다음과 같다.| [math(\varPi = icRT= \dfrac{inRT}V)] |
- [math(\varPi)]: 삼투압
- [math(i)]: 반트 호프 인자
수용액에서 실제 입자로서 거동하는 정도를 나타내는 상수. 이론값은 양이온의 계수와 음이온의 계수의 합. 이온화가 되지 않는 비전해질은 반트 호프 인자가 1이다. 이온화도와는 완벽하게 대응되지 않는데 아세트산처럼 수용액 내에서 이량체(dimer)를 형성하여 한 분자처럼 거동하는 경우도 있기 때문. 물질의 종류에 따라 다른 값을 써야한다.
허수단위 [math(i)]와 기호만 같다.[4] - [math(n)]: 물질량
- [math(R)]: 기체상수
- [math(T)]: 절대온도
- [math(V)]: 부피
- [math(c)]: 몰 농도
마찬가지로 광속 [math(c)]와 기호만 같다.
이상 기체의 상태방정식 [math(PV=nRT)]와 유사하지만 물리화학의 혼합화학퍼텐셜을 이용해서 독립적으로 유도된다. 유도과정은 용액의 총괄성을 참조하자. [6]
4. 삼투의 수동 수송
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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.
5. 삼투현상의 예
- 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.[7]
- 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.
- 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.[8]
- 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.[9][10]
- 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.
6. 삼투압과 관련된 고등학교 교육 과정
[1] 생물학에선 일반적으로 물을 가리킨다.[2] '삼투압 현상'이라는 말을 볼 수 있는데, '삼투 현상'이 바른 말이다.[3] 근거: https://en.wikipedia.org/wiki/Osmosis[4] 물리학에서 허수를 볼 수 있는 분야는 전자기학, 상대성 이론, 양자역학 정도밖에 없다.(주의할 점은, 전자기학의 하위 분야인 회로이론에서는 허수를 [math(j)]로 쓴다는 점이다.)[5] 용질과 용질 사이, 용매와 용매 사이, 용매와 용질 사이의 인력이 동일한 용액.[6] 사실 삼투압도 엄연히 유체의 압력이기에, 이상 기체 상태방정식 [math(PV=nRT)]과 유사할 수 밖에 없다.[7] 적혈구가 농도 차에 의해 망가지면 산소 공급을 못 받기 때문.[8] 바닷물고기는 양서류와 같은 삼투에 의한 탈수를 방지하기 위해, 능동 수송으로 몸 속의 염분을 내보내는 기전을 가지고 있다.[9] 바닷물 약 3.5%, 우리의 신체는 0.9% 정도이다.[10] 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 물이 아니어서 다른 문제까지 겹쳤다. 영상[11] 용액의 총괄성 중 하나로 나온다. 반트호프 법칙을 배우게 된다.[12] 흡수력과 팽압, 삼투압 그래프가 나온다.