삼투압과 삼투현상 (Osmosis)

삼투현상(Osmosis)

 

서로 다른 농도를 가진 두 용액 사이를 용매는 통과시키나 용질을 통과시키지 않는 반투과성막(semipermeable membrane)으로 막아놓았을 때, 농도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 용매가 이동하는 현상을 삼투 현상(osmosis)이라고 한다. 이 현상으로 생기는 압력이 바로 삼투압이다. 

사실 액체들의 농도 차이가 줄어드는 것은 삼투 현상의 결과이고, 일어나는 직접적인 원인은 액체 간 압력 차이이다. 

용매 분자들은 매우 작은크기로 인해 반투막을 통과할 수 있다. 그러나 용질 분자들은 아무리 크기가 작다고 하더라도 용매분자들이 녹이기 위해 주위를 둘러싸기 때문에 크기가 커져 반투막을 통과하지 못한다. 대표적으로 물을 예시로 들자면 물 분자들은 염화나트륨(NaCl)이나 설탕 분자들을 수화시키기 위해 용질분자를 둘러싼다. 그렇기 때문에 용질의 분자 크기가 작아도 반투과성막을 통과하기 어려운 것이다.

 

삼투압(Osmotic pressure)

용매 분자들은 반투막을 통과할 뿐만아니라 반투과성막과 충돌을 한다. 농도가 높을수록 용질을 둘러싸는 용매분자가 많아지게 되고 자유로운 용매 분자의 개수가 줄어들게 된다. 따라서 반투과성막에 충돌하는 횟수도 줄어들어 상대적인 압력도 줄어든다. 즉, 삼투현상에서 생기는 높이차는 압력차이 때문에 생기는 것이다.

그렇기 때문에 삼투 현상은 농도의 차이만 있다면 화학적으로 안정적인 상태에서 자발적으로 일어나는 현상이다. 용액에 삼투압보다 큰 에너지를 가하면, 용매가 높은 농도에서 낮은 농도 쪽으로 이동하게 되는 역삼투 현상이 일어나기도 한다. 이는 밑에서 다시 설명하겠다.

따라서 삼투압(π)이란 삼투현상을 멈추게 하는데 필요한 압력으로 다음의 식을 따른다.

 

π = 삼투압 (atm)

V = 용액의 부피 (L)

n = 용질의 몰수 (mol)

R = 기체상수 (0.08206 atm•L/mol•K)

T = 절대온도 (K)

M = 용액의 몰농도 (mol/L)

 

용질이 이온이 녹아있는 전해질인 경우,

i = 반트호프(van't Hoff) 인자

반트호프 인자는 전해질 수용액에서 이온화되는 이온의 수를 고려한 인자이다. 

등장액, 고장액, 저장액

농도가 다른 두 용액이 반투과성막을 사이에 두고 있을때 이들을 지칭하는 용어는 다음과 같다.

등장액(isotonic solution) : 농도가 같은 두 용액

고장액(hypertonic solution) : 농도가 보다 높은 용액

저장액(hypotonic solution) : 농도가 보다 낮은 용액

 

동물세포와 식물세포를 각각 저장성 용액에 넣으면(세포 내부는 고장성 용액), 삼투현상에 의해 용매가 세포 내부로 이동한다. 이로 인해 동물세포가 팽창 파괴되는 용혈이 일어난다. 식물세포는 세포벽이 있어 팽윤만 일어난다. 

반대로, 동물세포를 고장성 용액에 넣으면 수축 파괴되는 축혈이 일어난다. 식물세포에서는 세포막과 세포벽이 분리되는 원형질 분리가 일어난다.

역삼투(Reverse Osmosis)

역삼투 현상 (Reverse Osmosis)이란 반투과성막을 통해, 농도가 높은 용액의 용매가 농도가 낮은 용액 쪽으로 이동하는 현상이다. 용액에 삼투압보다 큰 에너지를 가해주게 되면 발생한다. 이러한 현상은 바닷물을 마실 수 있는 물로 바꿔주는 담수화 과정에도 사용된다.