삼투에 영향을 주는 요인

셀로판 투석막으로 만든 주머니에 설탕물을 넣고 묶어 증류수에 담갔다. 5분마다 꺼내 무게를 달았더니 주머니가 점점 무거워졌다. 0.4 M 설탕물을 넣은 주머니는 1분에 0.21 g씩 무거워졌고, 0.8 M은 0.40 g씩, 0.2 M은 0.10 g씩 무거워졌다. 설탕물이 두 배 진하면 물이 두 배 빨리 들어오는 것 같다. 농도 말고 주머니의 크기나 물의 온도도 빠르기를 바꿀까? 어떻게 실험해야 각 요인의 효과를 가려낼 수 있을까?

1.5.1막을 지나는 물의 흐름

투석막에는 물 분자는 지나가고 설탕 분자는 지나가지 못하는 작은 구멍들이 있다. 막 양쪽에서 물 분자는 끊임없이 오가지만, 설탕물 쪽은 물 분자의 비율이 작고 수분 퍼텐셜이 낮아 들어오는 물이 나가는 물보다 많다. 그 차이가 클수록, 곧 안팎의 농도 차가 클수록 알짜 흐름이 빠르다. 물이 지나갈 수 있는 막의 넓이가 넓으면 그만큼 많은 물이 동시에 지나간다. 온도가 오르면 물 분자가 빨리 움직여 막을 지나는 횟수가 늘어난다.

그림 1에서 농도를 0.2 M에서 0.4 M으로 두 배로 하자 빠르기가 0.10에서 0.21 g/분으로 두 배가 되었고, 넓이를 두 배로 해도 같은 결과가 나왔다. 온도를 20 °C에서 40 °C로 올리면 1.3배쯤 빨라졌다. 시간이 지나면 들어온 물이 안쪽 설탕물을 묽혀 농도 차가 줄므로 빠르기가 점점 느려진다. 그래서 요인을 비교할 때는 처음 10분처럼 같은 구간의 빠르기를 쓴다.¹

1.5.2한 번에 하나씩

세 요인의 효과를 가려내려면 한 번에 하나만 바꾸고 나머지는 고정해야 한다. 농도의 효과를 볼 때는 같은 길이의 투석막을 같은 양의 용액으로 채워 넓이를 맞추고, 같은 온도의 물에 담근다. 넓이의 효과를 볼 때는 같은 농도로 길이가 다른 주머니를 만들되, 넓이를 두 배로 하면 담기는 용액의 양도 두 배가 되어 묽어지는 빠르기가 달라질 수 있음을 생각한다. 무게를 달 때마다 겉의 물기를 같은 방법으로 닦아야 측정이 일정하다.

1.5.3예제 풀이

요인들의 효과가 서로 곱해진다고 보면, 농도로 2배, 넓이로 2배, 온도로 1.3배이므로 \(0.10 \times 2 \times 2 \times 1.3 = 0.52\) g/분이 예상된다. 이렇게 예측한 뒤 실제로 재어 보면 효과들이 정말 서로 곱해지는지 확인할 수 있다.

0.8 M 주머니는 처음 10분 동안 약 4 g의 물을 받아들였다. 주머니 안의 설탕물이 그만큼 묽어져 농도 차가 줄었으므로 빠르기가 처음 0.40 g/분에서 0.25 g/분으로 느려졌다. 바깥 증류수도 막을 지나 나온 아주 적은 물질로 조금 바뀐다. 즉 삼투의 빠르기는 농도 차, 막의 넓이, 온도에 따라 정해지고, 진행될수록 농도 차가 줄어 느려지므로 같은 구간에서 비교해야 공정하다.

아래 탐구 카드에서 농도 차, 막의 넓이, 온도 가운데 하나씩만 바꾸어 투석 주머니의 질량 변화를 재 보자.

1. 세포막에는 아쿠아포린이라는 물 통로 단백질이 있어 물이 막을 훨씬 빨리 지나간다. 이 단백질은 1992년 미국의 에이그리가 발견해 2003년 노벨 화학상을 받았으며, 콩팥에서 물을 다시 흡수하는 데도 중요하다.