안녕하세요. 정리남입니다.
오늘은 삼투 현상이 무엇인지 예시를 들어 알아보려 합니다.
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배추절임은 삼투 현상의 대표적인 예
배추 절일때 배추에 소금을 뿌리죠. 그러면 얼마 후 빳빳했던 배추가 물러지고 부드러워 집니다. 이는 배추에 소금을 뿌리면 배추 내부에 있던 수분이 밖으로 빠져나오게 되기 때문입니다. '삼투'란, 물이 반투과성 막을 통해 농도가 낮은 곳에서 농도가 높은 곳으로 이동하는 현상을 말합니다. 배추에는 수분이 있는데요, 소금을 뿌린 배추 표면은 물이 없이 소금이 있는 상태여서 상대적으로 용매의 농도가 굉장히 진한 상태입니다. 삼투란 농도가 낮은 곳에서 높으로 곳으로 물이 이동하는 현상이라고 했죠? 물이 많아 농도가 낮은 배추 속에서 물이 없고 소금이 있어 농도가 높은 배추 표면으로 물이 빠져나간 것이죠. 따라서 수분을 잃은 배추가 물러지고 부드러워지게 된 것입니다.
건포도를 물에 담글 경우 시간이 지나면 건포도가 물을 흡수하여 부풀어 오릅니다. 이유는, 건포도 내부는 당 농도로 인해 외부 물보다 농도가 높기 때문입니다. 따라서 외부의 농도가 낮은 물을 건포도가 흡수하게 되는 것이죠.
반투과성막이란
반투과성 막은 '특정 물질'만 통과시키는 필터을 말합니다. 쉽게 작은 크기의 물질은 통과시키지만, 크기가 큰 물질은 통과시키지 않는 선택적 통로인 것이죠. 물과 같은 작은 분자들은 자유롭게 통과시키지만, 설탕이나, 소금 등의 큰 분자는 통과시키지 못합니다. 결국 반투과성 막에 의해 물이 농도가 낮은 곳에서 높은 곳으로 이동하는 것이죠.
대표적인 반투과성 막은 세포막입니다. 정수기의 필터도 반투과성 막이고요. 세포막의 경우 물과 산소 등의 작은 분자물질은 세포막을 통과가능하지만, 단백질이나 핵산과 같은 큰 분자는 통과시키지 못합니다. 정수기 필터는 '역삼투' 현상을 이용한 대표적인 예입니다. 농도가 높은 초수(정수되지 않은 물)를 펌프를 통한 압력을 인위적으로 반투과성막으로 밀어내어 이물질은 놔두고 물만 빠져나가게 하여 정수시키는 것이죠.
[정리]
1. 반투과성막은 물 정도의 아주 막은 분자만 통과시킬 수 있는 매우 미세한 필터!
2. 특정 크기 이하의 물질만 선택적으로 통과하게 하는 반투과성 막이 있기에 물만 자유롭게 이동하면서 삼투 현상이 발생한다.
3. 삼투 현상이란 반투과성막을 통해 물이 농도가 낮은 곳에서 높으로 이동하는 현상이다
물이 농도가 낮은 곳에서 높을쪽으로 흐르는 무엇일까
여러분. 삼투현상에서 말하는 농도는 바로 용질의 농도를 말합니다. 즉 만약 소금물이라 한다면 물 속에 있는 용질은 물속에 녹아있는 소금분자를 말하는 것이죠. 만약 소금물과 순수한 물사이에 반투과성 막을 두고 연결시킨다면 순수한 물은 소금이 녹아있는(농도가 높은) 소금물쪽으로 이동하여 농도의 균형을 맞추려 하게되고 순수한 물의 높이는 줄어드는 반면 소금물의 높이는 순수한 물의 유입으로 높아집니다.
삼투현상에서 물이 용질의 농도가 높은 곳으로 이동하는 이유는 농도가 높은 곳과 낮은 곳의 퍼텐셜에너지 차이 때문이라고 합니다. 퍼텐셜에너지는 위치에너지라 하는데 이는 물질이 '특정 위치에 있을때 잠재에너지'를 말합니다. 예를들면, 우리가 아령을 들고 있다고 가정할께요. 들어올린 아령(=특정위치)은 바닥에 위치할때보다 잠재에너지가 큽니다. 에너지 란 어떠한 일을 할 수 있는 능력으로 정의되는데 들어올린 아령은 일을 할수 있죠. 어떻게요? 들어올린 아령을 그냥 떨어뜨린다면 바닥이 망가질 정도의 큰 충격을 일으킬 테니까요. 따라서 특정위치에 있는 잠재에너지. 이를 위치에너지라고 합니다.
에너지는 높은 곳에서 낮은곳으로 흐르는 것이 자연계에서 발생되는 자연스러운 경향입니다. 우리가 방을 치우지만 결국에는 다시 어지럽혀지죠. 이유는 방을 정리하는 행위 자체에 에너지 소모가 있기 때문입니다. 방을 정리하지 않는다면 에너지소모가 없을 것이죠. 즉 에너지 측면에서 보다 안정화 됩니다. 이렇듯 높은 에너지는 상태가 불안정하며 낮은 에너지는 안정적이기 떄문에 에너지는 가능한한 낮은 에너지로 안정화 되려는 경향을 가졌습니다.
물은 높은 곳에서 낮은곳으로 흐릅니다. 이유는 위에서 말씀드린것처럼 높은 곳에서는 위치에너지가 크므로 불안정한 상태이기 때문입니다. 따라서 에너지가 적은 낮은곳으로 흐르면서 안정화 상태로 바뀝니다.
이제 다시 돌아와 물의 농도가 낮은 곳에서 높을 곳으로 흐르는 이유를 알아보죠. 순수한 물의 경우 물 분자만 있으므로 물 분자가 자유롭게 이동가능한 상태입니다. 즉 에너지가 높은 것이죠. 하지만 소금이나, 설탕등의 용질이 녹아 있는 물은 물 분자 사이사이에 용질의 분자들이 포함되어 있어 물이 자유롭게 이동하기 어려운 환경입니다. 따라서 물이 가진 에너지가 낮습니다. 에너지는 높은 곳에서 낮은곳으로 이동하여 안정화되려는 경향이 있다고 말씀드렸죠? 따라서 높은 에너지를 가지 순수한 물은 에너지가 낮은 농도가 높은 곳으로 이동하게 되는 것입니다.
[정리]
1. 자연계에서 에너지는 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 경향이 있다.
2. 순수한 물은 용질이 있는(농도가 높은 물)물 대비 물 분자가 가진 에너지가 높다. 용질이 있으면 물 분자 이동에 제약이 있기 때문.
3. 따라서 순수한 물(용질의 농도가 낮은 물=고에너지)에서 농도가 높은 물(=저에너지)로 물이 이동한다.
4. 그런데 물만 이동할 수 있는 이유는 바로 물 분자만 통과시킬 수 있는 반투과성막이 있기 때문이다.
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