삼투 현상
본문배추를 소금에 절이면 배추 속 물이 빠져나와 숨이 죽는다. 반대로 시든 채소를 맹물에 담가 두면 다시 싱싱해진다. 물은 왜 막을 사이에 두고 한쪽으로 옮겨 갈까? 그리고 이 흐름을 거꾸로 돌리면 바닷물에서 소금을 걸러 마실 물을 얻을 수 있다. 그러려면 얼마나 센 압력이 필요할까?
2.3.1반투막과 삼투
물 분자처럼 작은 입자는 통과시키고, 녹아 있는 큰 입자나 이온은 막는 막을 반투막이라 한다. 세포막, 달걀 속껍질, 셀로판이 반투막의 예이다. 반투막을 사이에 두고 맹물과 소금물을 두면, 물 분자는 양쪽으로 오가지만 소금물 쪽에서는 일부 자리를 이온이 차지하여 넘어가는 물이 적다. 그래서 전체적으로는 묽은 쪽에서 진한 쪽으로 물이 옮겨 간다. 이를 삼투라 한다.
진한 쪽으로 물이 들어오면 그쪽 수면이 높아지고, 높아진 물기둥의 압력이 물의 이동을 막는다. 그러므로 삼투를 막는 데 필요한 압력이 있으며, 이를 삼투압이라 한다. 삼투압도 총괄성이어서 녹은 입자 수에 비례한다.
몰 농도 \(M\)인 묽은 용액의 삼투압은 \[\pi = i\,MRT\] 이다. 이상 기체 방정식 \(P = \dfrac{n}{V}RT\)와 꼴이 같다.
그림 1에서 농도를 바꾸어 보자. 0.15 M인 링거액은 약 7 atm, 0.6 M인 바닷물은 약 29 atm이다. 바닷물에 압력을 주지 않으면 맹물이 바닷물 쪽으로 들어가지만, 29 atm보다 세게 누르면 거꾸로 바닷물의 물이 맹물 쪽으로 빠져나온다. 이를 역삼투라 한다.1
2.3.2세포와 삼투
세포를 세포액보다 진한 용액에 넣으면 세포 속 물이 빠져나가 쪼그라들고, 묽은 용액에 넣으면 물이 들어가 부푼다. 적혈구를 맹물에 넣으면 터질 수 있다. 그래서 링거액은 혈액과 삼투압이 같은 약 0.9% 소금물로 만든다. 배추를 소금에 절이면 배추 세포에서 물이 빠져나와 숨이 죽는다.
2.3.3예제 풀이
링거액은 물 1 L에 NaCl 9.0 g을 녹인 용액이다. 체온 37 °C에서 이 용액의 삼투압을 구하여라. (NaCl의 화학식량 58.5, \(R = 0.082\) atm·L/(mol·K))
몰 농도는 \(\dfrac{9.0}{58.5} \approx 0.154\) M이고, NaCl은 \(i = 2\)이다. 체온은 \(37 + 273 = 310\) K이다.
따라서 \(\pi = 2 \times 0.154 \times 0.082 \times 310 \approx 7.8\) atm이다. 혈액의 삼투압도 약 7.7 atm이므로, 링거액을 혈관에 넣어도 적혈구에 물이 드나들지 않는다. 그런데 7.8 atm은 수심 78 m의 수압과 맞먹는 큰 압력이다. 이렇게 묽은 용액도 삼투압은 상당히 크다. 그래서 끓는점 오름이나 어는점 내림으로는 재기 어려운 단백질의 분자량을 삼투압으로 잰다.
아래 탐구 카드에서 세포막이 무엇을 통과시키는지, 바닷물을 담수로 바꾸는 데 필요한 압력을 직접 계산해 보자.
- 실제 해수 담수화 시설은 삼투압의 2배쯤인 60~80 atm으로 바닷물을 눌러 막을 통과시킨다. 막을 지나는 동안 바닷물이 점점 진해져 삼투압이 커지기 때문이다.
반투막을 사이에 두면 물은 묽은 쪽에서 진한 쪽으로 옮겨 가는 삼투를 하며, 이를 막는 압력 삼투압은 \(iMRT\)로 녹은 입자 수에 비례한다. 삼투압보다 큰 압력을 주면 물이 거꾸로 흐르는 역삼투가 일어난다. 그래서 처음 질문의 바닷물은 삼투압 약 29 atm보다 세게, 실제로는 60 atm 이상으로 눌러야 마실 물을 얻을 수 있다.