삼투압과 수분 퍼텐셜

감자를 같은 크기의 원기둥으로 잘라 무게를 단 뒤, 0 M부터 0.6 M까지 농도가 다른 설탕물에 하룻밤 담갔다가 다시 달았다. 증류수에 담근 조각은 18% 무거워지고 단단해졌으며, 0.6 M에 담근 조각은 16% 가벼워지고 물렁해졌다. 그 사이 어딘가에 무게가 전혀 변하지 않는 농도가 있을 것이다. 그 농도는 감자 세포에 대해 무엇을 알려 줄까? 물은 왜 한쪽으로 움직이는지를 하나의 양으로 나타낼 수 있을까?

1.4.1물이 움직이는 방향을 정하는 양

물은 언제나 수분 퍼텐셜이 높은 곳에서 낮은 곳으로 움직인다. 수분 퍼텐셜은 물이 가진 퍼텐셜 에너지를 압력의 단위로 나타낸 양으로, 순수한 물을 0으로 한다. 그런데 용질이 녹으면 물이 자유롭게 움직이려는 경향이 줄어 수분 퍼텐셜이 음수로 내려간다. 이 몫을 용질 퍼텐셜이라 한다. 식물 세포는 세포벽 안에서 물이 차면 세포벽을 밀어 압력이 생기는데, 이 압력은 수분 퍼텐셜을 다시 높이며 압력 퍼텐셜이라 한다.

설탕물에 담근 감자 조각은 설탕물보다 수분 퍼텐셜이 높으면 물을 내주어 가벼워지고, 낮으면 물을 받아 무거워진다. 따라서 무게가 변하지 않는 농도에서는 두 수분 퍼텐셜이 같다. 이 설탕물은 열린 용기에 있으므로 수분 퍼텐셜이 곧 용질 퍼텐셜이고, 그래서 감자 세포의 수분 퍼텐셜을 \(-iCRT\)로 구할 수 있다.¹

1.4.2변화율로 비교하는 까닭

감자 조각마다 처음 무게가 조금씩 다르므로, 무게의 변화량이 아니라 처음 무게에 대한 변화율을 비교한다. 또 담갔다 꺼낸 조각은 겉의 물기를 종이로 똑같이 가볍게 닦아야 한다. 만약 겉물기를 덜 닦으면 모든 조각이 무겁게 나와 그래프 전체가 위로 밀리고, 변화율이 0인 농도가 진한 쪽으로 옮겨진다. 농도마다 조각을 세 개 이상 쓰고 평균을 내며, 그래프에서 0을 지나는 곳은 양쪽 가장 가까운 두 점 사이를 직선으로 이어 찾는다.

1.4.3예제 풀이

0.2 M의 +4%에서 0.3 M의 −1%까지 0.1 M마다 5%포인트 줄어드므로, 0이 되는 곳은 \(0.2 + 0.1 \times 4/5 = 0.28\) M이다. 수분 퍼텐셜은 \(\Psi = -1 \times 0.28 \times 0.0831 \times 295 \approx -0.69\) MPa이다.

염화 나트륨은 물에서 이온 두 개로 나뉘므로 \(i = 2\)이고, 0.15 M 용액의 수분 퍼텐셜은 \(-2 \times 0.15 \times 0.0831 \times 295 \approx -0.74\) MPa이다. 감자 세포의 −0.69 MPa보다 조금 낮으므로 물이 감자에서 용액으로 나가 감자가 조금 가벼워진다. 설탕 농도로 보면 0.15 M은 0.28 M보다 묽지만, 입자 수로는 0.30 M과 같기 때문이다. 즉 수분 퍼텐셜은 녹은 입자의 수와 압력을 하나로 묶어 물이 어느 쪽으로 움직일지 알려 준다.

아래 탐구 카드에서 감자 조각을 여러 농도의 설탕물에 담가 질량 변화율을 재고, 감자 세포의 수분 퍼텐셜을 구해 보자.

1. 나무가 수십 m 높이까지 물을 끌어올리는 것도 수분 퍼텐셜의 차이 덕분이다. 흙의 수분 퍼텐셜은 −0.1 MPa 안팎이지만, 잎에서 물이 증발하는 공기는 −100 MPa 아래여서 물이 뿌리에서 잎으로 계속 끌려 올라간다.