12.11: 용액의 삼투 및 삼투압

다수의 천연 및 합성 물질은 선택적 투과를 나타냅니다. 즉, 특정 크기, 모양, 극성, 전하 등의 분자나 이온만 물질을 통과(침투)할 수 있다는 의미입니다. 생물학적 세포막은 자연의 선택적 투과에 대한 훌륭한 예를 제공하는 반면, 혈액에서 대사 폐기물을 제거하는 데 사용되는 투석관 보다 단순한 기술 예입니다. 제조 방법에 관계없이 이러한 재료는 일반적으로 반투과성 막이라고 합니다.

순수한 용매와 용액의 시료가 용매 분자만 투과할 수 있는 막으로 분리되어 있는 U자형 장치를 생각해 보십시오. 용매 분자는 막을 통해 양방향으로 확산됩니다. 용액보다 순수한 용매에서 용매의 농도가 더 높기 때문에 이 분자는 반대 방향보다 더 빠른 속도로 막의 용매 쪽에서 용액 쪽으로 확산됩니다. 결과는 순수한 용매에서 용액으로 용매 분자의 순 이동입니다. 반투막을 통한 용매 분자의 확산에 의한 이동은 삼투라고 알려진 과정입니다.

위에서 설명한 장치에서 삼투압을 수행하면 용매가 축적되어 용액이 희석되면서 용액의 부피가 증가합니다. 이로 인해 용액의 수준이 상승하여 정수압이 증가하고(튜브에 있는 용액 기둥의 무게로 인해) 용매 분자가 순수한 용매 쪽으로 더 빠르게 이동하게 됩니다. 압력이 삼투 속도와 동일한 역용매 전달 속도를 생성하는 값에 도달하면 용매의 대량 전달이 중단됩니다. 이 압력을 용액의 삼투압(Π)이라고 합니다. 다음 방정식에 따라 희석 용액의 삼투압은 용질 몰농도 M 및 절대 온도 T와 관련됩니다.

여기서 R은 보편적인 기체 상수입니다.

용액을 이러한 장치에 넣으면 용액의 삼투압보다 큰 압력을 가하면 삼투 현상이 역전되어 용액에서 순수한 용매로 용매 분자를 밀어냅니다. 이 역삼투 기술은 해수를 대규모로 담수화하는 데 사용되며, 소규모로는 식수용 고순도 수돗물을 생산하는 데 사용됩니다.

이 문서는 에서 발췌되었습니다 Openstax, Chemistry 2e, Section 11.4: Colligative Properties.

반투막은 일부 물질은 통과시키지만 다른 물질은 통과시키지 않는 기능을 가집니다. 용매 분자가 반투막을 통과하여 용질의 농도가 높은 용액으로 이동하는 것을 삼투라고 합니다. 왼쪽에는 순수한 물이 들어 있고 오른쪽에는 반투막으로 분리된 설탕 용액이 들어 있는 U자 모양의 튜브를 생각해 보십시오.

물 분자는 농도 평형을 이루기 위해 그 반대 흐름보다 더 빠른 속도로 설탕 용액으로 흐를 것입니다. 물이 오른쪽으로 흐르면서 두 팔에서 액체의 수위가 균일하지 않게 됩니다. 결국 오른쪽에 과도한 물의 가중치가 추가되어 삼투을 멈추기에 충분한 압력을 만들어냅니다.

삼투를 멈추는 데 필요한 최소 압력을 삼투압이라고 합니다. 이는 용액 내 용질 농도에 따라 달라지는 총괄성입니다. 용질의 농도가 증가할수록 삼투압은 비례적으로 증가합니다.

삼투압 파이는 용질의 몰랄 농도에 켈빈 단위의 온도와 몰 켈빈당 0.0821 리터인 의 이상기체상수 R을 곱하여 계산할 수 있습니다. 만약 설탕 용액의 농도가 1.00 몰이라면 온도가 25 도 또는 298 K일 때 삼투압은 24.5 기압이 될 것입니다. 만약 두 용액의 삼투압이 같다면 용액들은 등장성이라고 불립니다.

한 용액에서 삼투압이 낮으면 그 용액은 용질 농도가 높은 용액에 비해 저장성입니다. 농축액은 묽은 용액에 비해 고장성이라고 합니다. 적혈구가 고장액 상태에 놓일 때 수분은 반투과성 세포막의 모공을 통해 빠져나갑니다.

이 과정은 축혈이라고 불리며 세포가 오그라드는 원인이 됩니다. 반대로 적혈구가 저장액에 놓여진다면 물이 세포 밖에서 들어와 세포가 부풀게 하고 궁극적으로 용혈이라고 불리는 과정에서 파열됩니다. 신체에 정맥 수액을 주입할 때 쭈그러듬이나 용혈증을 막기 위해 그 액체는 혈구의 세포 내 용액과 등장성을 가져야 합니다.