1. 삼투현상(Osmosis)
서로 다른 농도를 가진 두 용액 사이에 용매만 통과 가능한 반투과성 막을 두면, 농도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 용매가 이동하게 되는데, 이를 삼투현상(Osmosis)이라 한다.
쉽게 말해, 반투과성 막 때문에 녹은 물질은 움직일 수 없는데 두 용액의 농도는 맞춰줘야 하니 물이 대신 이동하는 거라고 생각하면 된다.
위 그림에서처럼 물이 이동하면 두 용액간 높이 차이게 생기게 되는데, 이러한 높이 차이를 만드는 힘을 삼투압(Osmotic pressure)이라 한다. 이를 측정하기 위해서는 삼투현상이 종결된 시점에서 두 용액의 높이 차이를 측정하면 된다.
2. 삼투압(Osmotic pressure)
그렇다고 모든 용액에서 저렇게 높이 차이를 측정할 수는 없으니까, 삼투압을 측정하기 위한 식은 다음과 같다.
R은 기체상수, T는 용액의 온도, M은 용질의 몰농도다. 따라서 삼투압은 용질의 종류와 상관없이, 오로지 '용액 내에 있는 용질의 수에만 의존하는 성질', 즉 총괄성을 갖는다.
다만, 이때 용질이 전해질인지, 비전해질인지는 따져봐야 한다.
전해질인 NaCl로 예를 들어보자. 1 M의 NaCl이 물에 녹으면 1 M의 Na+와 1 M의 Cl-이 생기고, 그래서 이들은 합쳐서 2 M만큼의 삼투압을 만들어낸다. 즉, 전해질 용질일 때는 이온화되는 이온의 수를 고려해줘야 한다.
Q. 1 mol 의 포도당이 녹아있는 1L 용액이 있다. 1L NaCl 용액과 포도당 용액의 삼투압 차이가 없을 경우 NaCl은 몇 몰이 녹아있는가?
A. NaCl 용액에 녹아있는 총 이온수는 1 mol. 이는 Na+이온과 Cl-이온의 합이므로, 각각 0.5 mol씩 용액에 존재하고, NaCl은 총 0.5 mol 녹아있다.
* 이는 모든 NaCl이 이온으로 분리된다는 가정 하에 계산된 이론적인 값이다. 이온화되는 이온의 수를 반트호프 인자(i)라 하는데, 반트호프 인자의 실제값은 이론값보다 항상 작다.
3. 삼투질농도, 오스몰농도(Osmolality)
우선 몰농도와 몰랄농도의 차이에 대해 알아보자.
몰농도는 용질의 몰수를 용액의 부피로 나눈 값이다. 단위는 mol/L이며, 약자로 M을 쓴다.
몰랄농도는 용질의 몰수를 용매의 질량으로 나눈 값이다. 단위는 mol/kg이며, 약자로 m을 쓴다.
같은 몰수의 용질이더라도 그것이 전해질인지 아닌지에 따라 삼투압에 미치는 영향은 다르게 나타난다. 1 M의 포도당 용액과 1 M의 소금 용액은 다른 삼투압을 가진다. 이때 사용하는 것이 오스몰농도(Osmolarity)와 오스몰랄농도(Osmolality)이다.
오스몰농도와 오스몰랄농도는 몰농도와 몰랄농도에서 분자의 몰수를 오스몰수로 바꾼 값이다.
즉, 1 M 포도당 용액의 오스몰농도는 1 OsM, 1 M 소금 용액의 오스몰농도는 2 OsM이 되는 것이다.
* 생체 조건 하에서 용액의 부피는 용매의 질량과 크게 차이가 없다. 물은 1 L일 때 1 kg임을 생각해보면 된다. 그래서 생리학에서 오스몰농도와 오스몰랄농도는 곧잘 혼용해서 사용한다.
4. 긴장성(Tonicity)
오스몰농도의 개념까지 확인했으니 다음의 상황을 생각해보자.
A 용액에는 NaCl 3mol, 포도당 4mol이 들어있고
B 용액에는 NaCl 2mol이 들어있다. 두 용액은 모두 1L이다.
물과 포도당이 통과 가능한 반투과성 막을 사이에 두고 두 용액이 존재할 때, 두 용액의 삼투압을 계산하면 어떻게 될까?
A 용액의 오스몰농도는 Na+ 3mol, Cl- 3mol, 포도당 4mol이므로 10 OsM
B 용액의 오스몰농도는 같은 과정으로 4 OsM가 된다.
그럼 두 용액의 삼투압은 오스몰농도의 차이인 6 OsM 만큼 발생할까?
답은 아니다. 반투과성 막을 투과 가능한 포도당은 물과 같이 확산되어 A, B 용액에 각각 2 mol씩 존재하게 되고, 삼투압에 실질적으로 영향을 미치는 분자는 NaCl만 있게 되어 두 용액의 실제 삼투압 차이는 2 OsM이 된다.
이처럼 실제로 물이 움직이게끔 하는 용질의 농도를 유효 오스몰농도(Effective osmolality)라 하며, 다른 말로 긴장성(Tonicity)이라 부른다.
세포막은 선택적 투과성을 지니기 때문에, 같은 분자더라도 세포가 놓인 환경, 용질의 필요성에 따라 막 투과성을 다르게 조정한다. 이때는 단순 용질의 몰수로 계산하는 오스몰농도보다 삼투 현상에 유효한 용질의 몰수로 계산하는 Tonicity가 더 중요해진다.
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