삼투압 [osmotic pressure, 渗透壓]

<삼투압 1> 1867년 독일의 화학자 M. 트라우베(Moritz Traube)가 발견. 농도가 다른 두 액체 사이에 생기는 압력의 차이를 말한다.

용매는 투과시키지만 용질은 걸러내는 계란 속껍질과 같은 반투성 막을 이용하여 농도가 다른 두 용해액을 갈라놓게 되면, 용질의 농도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 용매가 이동하여 농도의 평형을 맞추려 한다. 이러한 현상을 삼투(渗透) 현상이라 하며 이때 반투막의 양쪽에는 온도는 같지만 삼투가 일어나 한쪽의 압력이 높아지며 압력의 차이가 생긴다. 이 압력차를 삼투압이라 하고, 침투압(浸透壓)이라고도 한다.

1877년에 페퍼(Pfeffer)가 처음으로 삼투압을 측정하였는데, 페퍼는 페로사이안화구리의 침전막을 가진 질그릇 통으로 설탕 수용액의 삼투압을 측정하고, 삼투압이 일정한 농도에서 삼투압의 크기는 절대온도에 비례한다는 것을 발견하였다. 이러한 삼투압을 측정하는 장치를 삼투계(osmometer)라 한다.

반투막적인 성질을 갖는 세포를 물속에 넣으면 세포가 부풀며 조직이 파괴되고, 반대로 염분이 있는 액체 속에서는 수축한다. 소금물 속의 배추가 수분을 내보낸 후 소금간이 스미며 절여지는 것, 설탕물 안의 방울토마토가 과즙을 빼앗겨 시들해지는 것, 식물의 뿌리가 수분과 기타물질을 흡수하는 것 등이 삼투압의 예이다.

삼투압1

삼투압현상

<삼투압 2> 용액 속으로 용매가 삼투하는 힘.

용매(溶媒)는 통과시키지만 용질(溶質)은 통과시키지 않는 반투막(半透膜)을 고정시키고 그 양쪽에 용액과 순용매를 따로 넣으면 용매의 일정량이 용액 속으로 침투하여 평형에 이르는데, 이 때 반투막의 양쪽이 온도는 같지만 압력에 차이가 생기는 압력차이다.

삼투에 의한 용매의 이행을 억제하기 위해 반드시 필요한 힘이며 측정할 수 있다. 예를 들면 U자관의 중앙을 반투막(半透膜)으로 막고 한쪽에 순수한 물(A) 다른 쪽에 설탕수용액 (B)을 액면의 높이가 같게 넣어 두면 삼투에 의해 물이 A에서 B로 이동하게 된다. 그 결과 B의 액면은 높아지고 A의 액면은 낮아지는데, 양쪽의 높이가 어느 정도의 차에 달하면 물의 이동이 정지하고 평형 상태가 된다. 이것은 물이 삼투하려고 하는 힘이 액면의 고도차에 의한 압력으로 억제되어 평형상태에 도달했기 때문이며, 그 압력이 삼투압과 같다. 또는 B에 적당한 압력 P를 가하여 물의 삼투가 일어나지 않게 하면 B에 가한 압력이 삼투압과 같다. 삼투압을 측정하는 장치를 삼투계(osmometer)라고 한다.

1877년 독일의 식물학자 W. 페퍼는 질그릇의 판 속에 만든 페로시안화구리(noname01)의 침전을 반투막으로 이용하여 여러 가지 온도·농도로서 설탕 수용액의 삼투압을 측정하여 실험적으로 다음의 관계를 발견했다. 즉「일정한 농도에서 삼투압은 절대온도에 비례한다.」는 것이다. 87년 네덜란드의 물리화학자 J. H. 반트호프는 페퍼의 실험결과에 의해 다음의 관계식을 유도하고 열역학에 근거하여 증명했다.

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여기서, H는 삼투압, V는 용액의 부피, n은 용질의 물질량(몰수), T는 절대온도, R는 기체상수이다. 이 관계를 반트호프의 법칙이라고 한다. n-V= 몰 (부피 몰 농도)로 놓으면

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이다. ① 식은 이상기체의 상태방정식과 비슷하므로 이 식에 근거하여 붉은 용액과 이상기체의 대응이 거론되어 용액론 발전의 단서가 되었으나 현재 이 유사성은 어디까지나 형식적인 것임이 밝혀졌다. 실제로는 ②식에서 몰대신에 중량 mol 농도 s를 이용하는 쪽이 실측값에 가장 근사하게 된다. 아세트산셀룰로스·니트로셀룰로스 등 여러 가지 공경(孔徑)을 가진 반투막을 이용하여 삼투압을 측정하고 용질 (溶質)의 분자량을 구할 수 있다. 특히 고분자화합물의 분자량 측정에 적당하며 수평균(數平均)분자량이 밝혀진다. 바닷물은 약 35%의 염류를 함유한 비교적 농후한 염용액이며 순수한 물에 비해 23.12atm의 삼투압을 가진다. 또 생물 세포 내의 원형질은 거의 0.85% 염화나트륨 수용액 또는 0.25mol 설탕수용액에 상당하는 삼투압을 가진다. 삼투압은 보통 기압 단위로 표시한다

. 용액이 단독으로 방치될 때는 현실적으로 삼투압이 발생되지 않으므로 이러한 경우의 잠재적인 삼투압을 삼투값(渗透價 ; osmotic value)이라고 하고 용액의 삼투농도(osmotic concentration)로 표시한다. 삼투농도는 어는점내림도의 측정에 의해서도 구하며 이상비전해질(理想非電解質)의 1중량 mol용액의 어는점내림도는 1.859℃에서 계산되는 오스몰농도(osmolarity)로 표시하는 경우가 많다.

세포가 잘 발달된 식물세포에서 안팎 양표면을 반투막으로 둘러싼 세포질은 액포(液胞) 내의 세포액과 삼투평형을 유지하므로 이 원형질의 층 전체가 일정한 두께를 가진 반투막으로 작용한다고 봐도 된다. 식물세포를 물에 적시면 물 포텐셜은 0이므로 이 때 n=P(P가 벽압(壁壓))가 된다. 식물세포를 담근 액(外液)에 세포막을 통과하지 않은 용질을 첨가하여 외액의 삼투농도를 높여 주면 P가 0이 되어 원형질 분리가 일어난다(한계원형질분리). 이 때 액포의 삼투압과 외액의 삼투압은 같다. 이것을 이용하여 식물세포의 삼투압을 측정하는 것이다.

실험