화학 고3 용액의 성질

삼투압

반투막을 사이에 두고 용매가 농도 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 이동하는 삼투를 막는 데 필요한 압력. π = iMRT (반트호프 식).

반투막을 사이에 두고 용매가 묽은 쪽에서 진한 쪽으로 이동하는 삼투 현상을 막기 위해, 진한 용액 쪽에 걸어 주어야 하는 압력입니다.

물이 밀고 들어오는 문을 반대편에서 손으로 밀어 막는다고 생각해 보세요. 딱 움직이지 않게 하는 데 필요한 그 힘의 크기가 삼투압입니다. 물이 '이만큼 들어오고 싶어 한다'는 정도를 압력으로 잰 값인 셈입니다.

쉽게 말하면

반투막은 용매 분자는 통과시키고 용질 입자는 막는 막입니다. 양쪽 농도가 다르면 용매가 양방향으로 오가긴 하지만, 진한 쪽은 용질이 표면을 차지하고 있어 빠져나가는 용매가 적습니다. 결국 순수하게 보면 묽은 쪽에서 진한 쪽으로 용매가 흘러가 진한 쪽 액면이 올라갑니다. 이 흐름을 정확히 0으로 만드는 데 필요한 압력이 삼투압 $π$ 이고, 반트호프 식으로 계산합니다.

$π = i M R T$

$M$ 은 몰 농도, $R$ 은 기체 상수, $T$ 는 절대 온도, $i$ 는 이온으로 나뉘는 개수입니다. 기체의 상태 방정식과 모양이 똑같다는 점이 인상적입니다 — 용질 입자가 용액이라는 공간에서 기체처럼 '압력'을 만들어 낸다고 보는 관점입니다. 역시 용질이 무엇인지는 식에 없습니다. 용액의 총괄성 그대로 개수만 셉니다.

삼투압의 강점은 감도입니다. 아주 묽은 용액도 상당한 압력을 만들어 내기 때문에, 어는점 내림으로는 변화가 너무 작아 잴 수 없는 단백질 같은 거대 분자의 분자량도 삼투압으로는 측정할 수 있습니다.

생명 현상과 직결됩니다. 세포막이 반투막처럼 작동해 삼투 가 일어나고, 우리 몸은 콩팥과 삼투 조절 을 통해 체액의 농도를 일정하게 유지합니다. 병원에서 쓰는 생리 식염수가 혈액과 같은 삼투압으로 맞춰져 있는 것도 적혈구가 터지거나 쭈그러들지 않게 하기 위해서입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

삼투압 계산

$π = i M R T = 2 \times 0.1 \times 0.082 \times 300 \approx 4.9 atm$

$0.1 M$ 소금물의 삼투압은 $27^{\circ} C$ (약 $300 K$ )에서 약 $5 atm$ 입니다. 겨우 $0.1 M$ 인데 대기압의 다섯 배에 해당하는 압력이 나온다는 점이 삼투압이 얼마나 민감한 성질인지를 보여 줍니다.
예시 2

배추를 소금에 절이면 물이 빠지는 이유

배추 세포 밖이 세포 안보다 진해지면, 물이 세포 안에서 밖으로 빠져나갑니다. 그래서 배추가 숨이 죽고 쪼그라듭니다. 소금이 배추의 물을 '빨아들이는' 것이 아니라, 물이 자기 쪽에서 진한 쪽으로 이동한 것입니다.
예시 3

역삼투 — 바닷물을 민물로

삼투압보다 더 큰 압력을 바닷물 쪽에 걸어 주면 물이 오히려 반대 방향으로, 즉 진한 쪽에서 묽은 쪽으로 밀려 나갑니다. 이렇게 염류를 막에 남기고 물만 뽑아내는 것이 해수 담수화에 쓰이는 역삼투 방식입니다.

순서대로 하면

삼투압 문제 푸는 순서

1용질이 이온화하는지 확인해 반트호프 계수 $i$ 를 정합니다(설탕 $1$ , $NaCl$ $2$ , $CaC l_{2}$ $3$ ).
2몰 농도 $M$ 을 구합니다. 분모는 용액의 부피(L) 입니다 — 몰랄 농도와 달리 부피 기준입니다.
3온도를 반드시 절대 온도(K)로 바꿉니다. 섭씨를 그대로 넣으면 안 됩니다.
4 $π = i M R T$ 에 대입합니다. $R$ 과 단위를 맞춰 압력 단위를 확인합니다.
5분자량을 구하는 문제라면, 얻은 $M$ 과 주어진 부피에서 몰수를 구한 뒤 질량을 몰수로 나눕니다.

자주 하는 오해

삼투를 '용질이 이동하는 것'으로 이해하기

이렇게 생각하기 쉬움농도를 맞추려고 용질이 진한 쪽에서 묽은 쪽으로 옮겨 간다

실제로는반투막은 용질을 통과시키지 않습니다. 움직이는 것은 용매이고, 방향은 묽은 쪽에서 진한 쪽입니다.

'농도가 같아지려 한다'는 결론만 외우면 이동하는 주체를 헷갈리게 됩니다. 반투막이 없는 그냥 확산이라면 용질이 이동해 농도가 맞춰지지만, 삼투는 용질이 갇혀 있기 때문에 용매가 대신 움직여서 농도를 맞추는 현상입니다. 그래서 진한 쪽의 부피가 늘어납니다.

삼투압이 진한 용액이 '빨아들이는 힘'이라고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움진한 용액에 물을 끌어당기는 힘이 있어서 삼투압만큼 당긴다

실제로는삼투압은 그 흐름을 멈추는 데 필요한 압력으로 정의된 값입니다. 진한 쪽에 이만큼의 압력을 걸어 주면 액면이 더 이상 올라가지 않습니다.

정의를 '당기는 힘'으로 잡으면 방향이 헷갈립니다. 문제에서 '삼투압을 걸어 준다'고 하면 그것은 진한 쪽을 눌러서 삼투를 막는다는 뜻이고, 그보다 더 세게 누르면 물이 반대로 나가는 역삼투가 됩니다. 정의에 '막는다'가 들어 있다는 것이 핵심입니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

용액의 총괄성고3

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

없음 — 이 개념이 마지막입니다

연계 개념 — 과목을 넘어 함께 보면 좋아요

콩팥과 삼투 조절고2 삼투고3

같은 단원의 개념 — 용액의 성질

끓는점 오름고3 몰 분율고3 몰랄 농도고3 어는점 내림고3 용액의 총괄성고3 용해 과정과 용해열고3 용해도고3 증기압 내림고3 헨리 법칙고3

자주 묻는 질문

Q1왜 삼투압만 몰랄 농도가 아니라 몰 농도를 쓰나요?

삼투압은 온도를 크게 바꿔 가며 재는 성질이 아니라 정해진 온도에서 압력을 재는 성질이고, 반트호프 식이 기체 상태 방정식과 같은 형태여서 부피 기준의 몰 농도가 자연스럽게 들어옵니다.

Q2왜 거대 분자의 분자량 측정에 삼투압이 유리한가요?

단백질처럼 몰질량이 크면 같은 질량을 녹여도 몰수가 아주 작아서 어는점 변화가 측정 오차에 묻힙니다. 반면 삼투압은 매우 묽은 농도에서도 충분히 큰 압력이 나와 재기 쉽습니다.

Q3민물고기를 바닷물에 넣으면 왜 죽나요?

몸 안보다 바깥이 훨씬 진하므로 물이 몸 밖으로 빠져나갑니다. 삼투압 차이를 감당할 조절 능력이 없기 때문입니다. 생물에서 다루는 삼투 와 같은 원리입니다.

교육과정 2022 개정 · 고3 화학 · 용액의 성질 수록 기본 (교육과정 단원)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

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